[新聞] 量子達爾文主義迎首次驗證！潘建偉等科

看板Physics作者bulls0722 (asdf)時間4年前 (2019/08/12 17:03)推噓14(14推 0噓 78→)

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https://m.news.sina.com.tw/article/20190805/32200592.html 達爾文、愛因斯坦，如果將這兩人的智慧碰撞在一起，會得到什麼？一種名為「量子達爾文主義」的理論可以視為這樣的一個成果。這個理論由波蘭裔美國物理學家沃伊切赫·祖瑞克（ Wojciech Zurek ）教授提出。祖瑞克教授在上個世紀 90 年代開始研究量子力學，基於「環境退相關（Environmental De coherence）」等理論，他首次提出量子達爾文主義，旨在統一微觀世界的量子理論和宏觀世界的經典物理理論之間的矛盾（這些矛盾經過長足的討論甚至已經跨越到哲學領域），並相繼在 PRL 和Nature Physics頂級物理學期刊上發文，向世人展示這一神奇的理論。簡而言之，「量子達爾文主義」認為，我們熟知的經典物理學中物體的定態性質之所以有著「確定」的時空屬性，例如位置和速度，其實是在量子力學中被「選擇」出來的，就像自然選擇一樣。儘管理論形成已久，但量子達爾文主義直到最近一年才得到實驗驗證，來自中國、義大利和德國的研究小組分別獨立地完成了自己的驗證。其中一個驗證試驗由中國科學家潘建偉所帶領的團隊完成。隨著這些驗證的實現，統一微觀和宏觀的新的可能性正在人類文明面前徐徐展開。說起量子物理，我們通常會聯繫到「玄學」，很大程度上是因為人們的日常生活並不能感受到量子力學的存在。在 20 世紀之前，以牛頓力學為代表的經典物理學原理統治著人們對於物理世界的理解，人們相信任何事物在確切的時間就要有確切的位置。直到馬克思·普朗克（Max Planck）、阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）、尼爾斯 ·玻爾（Niels Bohr）、沃納·卡爾·海森堡（Werner Karl Heisenberg）等量子力學先驅相繼建立量子力學的基礎，開啟了量子力學這一神奇的領域。他們通過一系列存在於原子和亞原子尺寸的神奇現象，宣告經典物理在微觀世界的失效，並推演出許多量子力學的經典理論。可以說，概率、不確定以及狀態疊加是量子力學的主題。例如，無法給電子（或其他微小粒子）定義一個確定的位置，只有可能確定電子有多少概率出現在一系列地方，所以我們用「電子云」定義原子核外電子的位置。一句話概括，統治微觀世界的量子物理，遵循「不確定性」原理，解釋宏觀世界的經典物理學，追求的卻是「確定性」。兩者的相悖，帶來了一個終極拷問似的命題：現實世界是由一個一個原子組成的，遵循的是經典物理學的原理，而在原子層面上考慮，遵循的是量子力學，二者是如何統一在一起的？又或者說，原子尺寸下的量子力學如何集中體現出經典物理學的原理的？物理學家將這樣的突變稱為「量子-經典轉換」。但事實上，不同尺度大小的世界會遵循不一樣的基本原理，抑或這兩者之間本不應該存在如此劇烈的突變過渡，都還一直是理論上的各執一詞。達爾文的理論怎麼跑到量子領域了？在過去的好幾十年裡，科學家不斷地在嘗試解釋，量子力學如何通過粒子或其它微觀系統與其周圍環境的相互作用而不可避免地演化成經典力學的，並取得了很多了不起的理論成就。最經典的解釋就是「哥本哈根解釋（Copenhagen Interpretation）」，此理論集合了幾位物理學家的觀點，其主要的焦點就是「波函數坍塌」。其中，哥本哈根解釋認為波函數是代表量子領域下事物的發展狀態，它以概率的形式呈現，就像撒貝南在「吐槽大會」中說的快遞中的電子產品，其狀態就是一個波函數，有百分之五十的可能是好的，百分之五十是壞的，整個狀態就是「百分之五十是好的，百分之五十是壞的」的狀態疊加。想要知道快遞中的電子產品是好還是壞，需要打開這個盒子查看，當我們查看的時候，電子產品的狀態才會從兩個可能性——好或壞——變成確定的狀態，這也就是波函數的坍塌。歷史上，還有一個著名的思想實驗「薛定諤的貓」，說的是同一個原理。通過這兩個例子，我們不難看出，在量子力學中的量子系統，一般無法用一個確定的狀態描述它們，只能用多種可能狀態及其分別的可能性一起來描述它們。此外，想要確切地確定系統的狀態必須要進行測量，而測量本身可能就會對結果產生影響，而造成「波函數坍塌」。其實，「波函數坍塌」這一理論還解釋了量子力學的不確定和宏觀物理的確定性之間的聯繫。在此，我們再回憶一下這個聯繫是怎樣建立的：以快遞為案例，它是通過拆快遞並查看建立的吧。在「哥本哈根解釋」中，這稱為經典儀器的測量，而這種測量會對系統的不確定度產生影響。隨之而來的問題是，為什麼儀器測量時，系統波函數會坍縮，又是以怎樣的規律坍縮的？又有很多物理學家嘗試解釋這樣的現象，其中最有代表性的理論就是量子達爾文主義。正如文章開頭所言，「量子達爾文主義」認為，宏觀世界、經典物理學中物體有「確定」的時空屬性，例如位置和速度，其實是在量子力學中被「選擇」出來的，就像自然選擇一樣。這些被選擇出來的性質，在某種意義上來說是最合適的。正如自然選擇中，被選擇的物種能夠最大程度地「複製」自己，那麼被選擇的性質也是如此。存在於或者說適用於經典物理學的性質和原理，應該是無窮多個獨立的觀察者觀察量子系統都能夠得到的。其次，根據達爾文的進化論和自然選擇學說，物種的進化或者是特點是和其環境息息相關的，存在的物種一定是適合環境的。也就是說，我們可以通過環境獲悉物種的相關信息，例如沙漠中的生物一定很耐旱，冰原上的生物一定都很扛凍等。那麼映射到量子達爾文主義中，環境也充當了十分重要的角色，祖瑞克認為，環境之於量子系統和觀察者之間相當於信息的通道，量子系統的各個狀態的疊加會通過這樣的信息通道傳遞給觀察者，而環境的特點就決定了哪些信息會被傳遞到觀察者，傳遞得最多次的信息就成為了我們經典世界中的物理規律，而這也就是量子狀態到宏觀經典物理的轉變。三組團隊獨立實驗，首次揭開神秘面紗那麼，這種聽上去神乎其神的理論，究竟意味著什麼？最近的一年內，量子達爾文主義迎來了首批實驗驗證，來自中國、義大利和德國的研究小組分別獨立地完成了自己的驗證，幫助我們一探究竟。從上面的介紹我們已經知道，環境對於量子系統顯現出來的性質是有影響的，而能被我們觀測的經典物理性質就應該是觀察過程中重複性最高的信息。因此，三個團隊的目標很一致，都是為了尋找量子系統中能夠被重複觀測的信息，類似於尋找自然選擇中存在最多的物種，並以此驗證量子達爾文主義。這是科學家在實驗驗證量子達爾文主義上踏出的第一步，但是可能是最重要的一步，因為，他們認為量子達爾文主義可能就是正確的方向，能夠解釋我們堅固的現實是怎樣從量子力學領域提供的眾多選項中凝聚起來的。其中，中國的團隊由中國科技大學潘建偉教授和陸朝陽教授領銜，他們和義大利的研究團隊不謀而合。技術實現上，採用的都是固態激光器發射一個單光子形成簡單的量子系統，並用其他光子構成量子系統的環境，通過獲取環境的信息來進行實驗驗證。實驗的細節和相關理論推演以論文的形式發表在了 Science Bulletin 上。實驗中，他們先將單光子量子系統和環境光子通過光學器件耦合在一起，然後對環境光子進行檢測，來查看有哪些有關單光子量子系統的信息，具體而言在此例中，他們檢測的是光子的極化（其電磁場的振動方向）。根據 Quanta 的報導，潘建偉解釋道，實驗中任何細小的環境擾動都能夠對觀察的系統造成巨大的影響，提供能觀測到的經典物理學信息。而實驗結果正如他所說，僅僅檢測一個充當環境的光子就能獲得相當多的關於單光子系統極化的信息，而檢測多個光子的信息之後，獲得的信息也大致相同，這與量子達爾文主義的闡述相符合。來自德國烏爾姆大學的研究小組採用的是另一種實驗設置。值得一提的是，該小組由光量子物理學家費多·傑列茲科（Fedor Jelezko）教授領銜。在研究過程中，傑列茲科和量子達爾文主義的提出者祖瑞克有很緊密的聯繫。在這個團隊的實驗過程中，他們採取的也是「量子系統+環境監測」的結構。首先傑列茲科團隊通過將鑽石中一個碳原子替換成氮原子，組成量子系統。具體而言，由於氮原子比碳原子要多一個電子，在氮原子和碳原子成鍵之後，多出來的這個電子就不能在鑽石晶格中成鍵，它成為了「孤獨」的個體，擁有著自旋的自由度，頭朝上或朝下。這就構成了一個典型的量子系統，因為它的狀態是不確定的，是兩種狀態可能性的疊加。然而，這個孤獨電子的自旋狀態，能夠以磁的形式和該鑽石晶格中大約 0.3% 的碳原子核發生交互。其實，這 0.3% 的碳原子核就是「碳 13」，碳的同位素之一，區別於常見的「碳 12」，「碳 13」的自然含量要小得多，大約就是0.3%，而其原子核內部結構也略有不同，它比「碳 12」多一個中子。傑列茲科指出，大約每個「孤獨電子」都會和附近的 4 個「碳 13」原子核耦合在一起，距離大約在1納米之內。實驗設置完成，「孤獨的電子」成為量子系統，而在其周圍的「碳13」原子核成為檢測的環境。接下來的事只需要改變數子系統的狀態——在此例中就是利用激光改變「孤獨的電子」的自旋方向，再檢測環境中的「碳 13」原子核就可以驗證量子達爾文主義了。在該團隊去年9月份的文章初稿中，他們表示觀測到了如同量子達爾文主義闡述的現象：「孤獨的電子」的自旋方向被環境記錄下來，而且檢測更多的「碳 13」原子核，得到的信息越接近。對這樣的實驗結果，祖瑞克表示，實驗本身只是對量子達爾文主義的一個模擬近似結果。可以說，實驗驗證了量子系統的狀態與環境之間的關係，對於量子達爾文主義也是支持的，但是我們很難說這些實驗完全證明了量子達爾文主義的正確性。因為，這些實驗還是沒有證明或者解釋量子物理和經典物理的轉換，也沒有將經典物理規律出現的其他可能證偽。或許我們最需要的還是更加先進的檢測設備，先進到能夠檢測量子系統的狀態改變，並且能分辨不同理論闡述之間的分別。如今，我們還無法辨別量子達爾文主義的真偽，它的存在還是遵循量子力學的理論一樣，亦真亦假。物理學家所做的也只能是不斷求真，不斷地將其真偽性更加明晰，最終量子達爾文主義的真偽才會「坍塌」為一種情況。另外，量子達爾文主義離主流學說仍有距離，這從其相關的文章發表的學術期刊能側面瞥見一二。但是，量子達爾文主義確實提供了「量子-經典轉換」的可能的解釋，只能對今後相關的研究成果拭目以待了，就像潘建偉團隊在文章中寫的，這是驗證量子達爾文主義的第一步，今後還會有更多的成果湧現。 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 42.73.107.94 (臺灣) ※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Physics/M.1565600589.A.CBA.html

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