三个实验已经证实了量子达尔文主义-一种解释量子概率如何产生客观经典现实的理论
毫不奇怪，量子物理学因一门奇怪而违反直觉的科学而闻名。 在我们看来，我们所生活的世界并不是量子力学的。 直到20世纪，每个人都认为由艾萨克·牛顿（Isaac Newton）和其他科学家推论得出的经典物理学定律（在此定律下，物体始终具有精确定义的位置和属性）可以在所有尺度上起作用。 但是马克斯·普朗克，阿尔伯特·爱因斯坦，尼尔斯·玻尔以及其他同时代人发现，在最底层，原子和亚原子粒子之间的这种特异性消失了，从可能性变成一团糟。 例如，通常不能将某个位置归因于此-我们只能计算在特定位置找到它的概率。 一个不愉快的问题出现了：量子概率如何组合成一个清晰的经典世界？
物理学家有时将此转换称为“量子经典转换”。 但是实际上，我们没有理由相信大国和小国有根本不同的规则，或者说它们之间存在很大的跳跃。 近几十年来，研究人员已经非常了解量子力学如何通过粒子或其他微观系统与其环境的相互作用而不可避免地成为经典。
这个理论平台上最值得注意的想法之一是，我们从经典量子物理学中选择的与量子物理学相关联的对象的某些属性（例如位置和速度）在一个类似于进化中自然选择的过程中得以存在：幸存的属性证明是，从某种意义上说，最“合适”。 与自然选择一样，复制更多自己的人也可以生存。 这意味着几个独立的观察者可以测量量子系统并就结果达成共识-这是经典行为的标准。
合肥科技大学的卢朝阳和潘建伟这个被称为“量子达尔文主义”（CD）的想法很好地解释了为什么我们以这种方式而不是以原子和基本粒子的规模表现出来的奇怪方式来感知周围的世界。 尽管谜团的细节仍不清楚，但CD有助于弥合量子物理学家与经典物理学家之间的明显差距。
直到最近，CD才能够进行实验验证。 来自意大利，中国和德国的三个独立研究小组正在寻找自然选择的特征-在各种受控环境中量子系统的多重“烙印”。 到目前为止，这些测试仍处于初级阶段，专家们说，在我们有信心地说CD可以使我们真实地了解如何从量子力学提供的众多选择中显现出我们的具体现实之前，还有许多工作要做。 但是目前，这一理论正在得到证实。
优胜劣汰
CD的核心是测量（即观察）的模糊概念。 在古典物理学中，我们只是按原样看到一切。 我们看到一个网球每小时可以跑200公里，因为它的速度如此之快。 还有什么要谈的？
在量子物理学中，事实并非如此。 形式数学过程完全是关于量子物体的“事态”，这是完全不明显的。 它们代表一定的描述，表明我们在测量后可能遇到的情况。 例如，一个量子粒子可以同时具有多个可能状态的事实-这种状态被称为“叠加”。 这并不意味着粒子同时处于几种状态-这意味着当我们进行测量时，我们将看到这些结果之一。 在测量之前，不同的状态会以波动的方式相互干扰，从而以更大或更小的概率给出结果。
但是为什么我们看不到量子叠加呢？ 为什么粒子不同状态的所有这些概率都无法生存，而增长到人类规模？
人们常说叠加是易碎的东西，当量子系统与嘈杂的环境碰撞时，叠加很容易打破。 但这并非完全正确。 相互作用的两个量子对象彼此“纠缠”，进入一种一般的量子状态，在这种状态下，它们的性质的概率开始相互依赖。 假设我们将一个原子置于其量子性质的两个可能状态的叠加中，这些状态称为“自旋”：“向上”和“向下”状态。 我们将原子释放到空气中，然后与空气分子碰撞并纠缠在一起。 现在它们处于共同的叠加状态。 如果原子的自旋向上，则空气分子可以朝一个方向被推下；如果原子向下，则可以朝另一个方向推，这两种可能性一起存在。 随着与其他空气分子碰撞次数的增加，纠缠扩散，并且曾经只应用于该原子的叠加变得更加分散。 原子的状态不再彼此相干，因为现在它们与环境的其他状态（可能包括某些大型测量仪器）纠缠在一起。 对于这种仪器，一切看起来都好像原子的叠加消失了，并且已经由可能不再相互干扰的经典状态菜单代替。
这种在环境中消失的过程称为“退相干”。 这是量子经典过渡的重要部分，解释了为什么在具有许多相互作用粒子的大型系统中很难看到量子行为。 这个过程非常快。 如果给空气中的常规尘埃粒子提供两个不同物理位置的量子叠加，而该物理位置位于该尘埃粒子的宽度相距一定距离处，则与空气分子的碰撞将导致消相干性-叠加性不可检测-大约10
-31 s。 即使在真空中，光子也会迅速引起退相干：如果不破坏尘埃的叠加，就无法看到尘埃斑点。
出乎意料的是，尽管退相干是量子力学的直接结果，但德国物理学家亨氏-迪特尔·泽（Heinz-Dieter Zee）才在1970年代发现了它。 一位波兰血统的美国物理学家
Wojciech Zurek在1980年代初就提出了这个想法，并为此声名added起，现在的实验也为它提供了支持。
洛斯阿拉莫斯国家实验室的理论物理学家Wojciech Zurek但是，为了解释客观经典现实的出现，仅仅说退相干消除了所有量子行为是不够的，因此对于观察者来说，一切看起来都是经典的。 一些观察者可能在某种程度上同意量子系统的性质。 在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室工作的祖雷克认为，有两个条件是正确的。
首先，量子系统必须具有特别抵抗环境所造成的破坏性退相干的状态。 Zurek称它们为“指示性状态”，因为它们可以通过测量工具刻度盘上指针的可能状态进行编码。 粒子的特定位置，其速度，量子自旋的值，极化方向-所有这些都可以写为指针在测量工具上的位置。 祖雷克认为，经典行为-定义明确，稳定，客观的特性的存在-仅可能由于存在量子物体的指示性状态而成为可能。
从数学的角度来看，指示性状态的特殊性在于它们不会受到与引起退相干的环境的交互的干扰：指示性状态要么被保留，要么变得几乎相同。 这意味着环境不会肆意破坏，而是选择某些状态，破坏其他状态。 例如，粒子的位置抗退相干。 但是同时，各个位置的叠加不是指示性状态：与环境的交互将它们解码为局部指示性状态，因此可以仅观察其中一种状态。 祖雷克（Zurek）在1980年代描述了指示性国家的这种“环境产生的超选择”。
但是，要观察到第二个条件，必须遵守量子特性。 尽管对与环境交互的免疫力保证了指示状态的稳定性，但是我们仍然以某种方式获得了大量有关该状态的信息。 而且只有当它被印在物体的环境上时才有可能。 例如，当您看到一个物体时，由于光子散射在视网膜上，因此该信息进入了视网膜。 他们以对象某些方面的部分副本的形式将这些信息传递给您，并说明了其位置，形状和颜色。 为了使许多观察者同意测量值，需要复制许多副本-这是经典世界图画的标准。 因此，正如Zurek在2000年代所宣称的那样，我们观察某种特性的能力不仅取决于它是否被选择为指示性状态，还取决于它对环境的影响程度。 我们只能观察到最能应对副本创建的条件-可以说是最适合复制的条件。 因此，祖里克
将此想法称为“达尔文主义”。
事实证明，根据CD原理，相同的稳定性属性会在环境的影响下促进指示状态的超选择外观的出现，也有助于适应性，即创建自己的副本的能力。 祖雷克说：“通过观察周围的环境会导致系统的不连贯性，而造成不连贯性的同一过程应该在环境中保留许多信息副本。”
信息超载
当然，观察者（一个人）是否可以阅读印在其环境上的有关量子系统的信息，这并不重要。 出现古典行为所需的所有条件，以及在那里出现的信息，以便可以在原则上加以考虑。 CD的支持者，滑铁卢理论物理研究所的物理学家
杰西·里德尔 （
Jess Riedel）说：“不必对系统进行正式意义上的研究，这样它就可以变成经典的系统。” “假定CD可以解释或帮助解释所有经典物理学，包括存在于实验室外部或在人类出现之前很久就存在的日常宏观物体。”
十年前，里德尔（Riedel）是祖雷克（Zurek）的研究生时，他们从理论上表明，来自简单，理想化的量子系统的信息“在环境中留下了大量拷贝，”里德尔说，“因此，只需访问一小部分环境即可找出变量的含义” 。 他们
计算出 ，直径为1μm的灰尘斑点被太阳照亮了1μs，可以打印出每1亿个散射光子的位置信息。
正是由于这种冗余，才具有客观的经典特性。 由于每个人都有单独的信息副本，因此十名观察员可以测量灰尘斑点的位置并在同一位置找到它。 从这个意义上说，我们可以为目标“位置”分配一尘埃斑点，不是因为它“拥有”了灰尘（无论是什么意思），而是因为其位置的状态可以在环境中打印其许多副本，因此不同观察者将达成共识。
此外，您无需跟踪大多数环境即可收集几乎所有可能的信息-如果跟踪的环境百分比很小，您将不会获得任何好处。 Riedel说：“您可以收集的有关系统的信息很快就饱和了。”
贝尔法斯特女王大学的物理学家
Mauro Paternostro解释说，这种冗余是CD的标志，他参加了三个新实验之一。 他说：“这一特性标志着向古典绘画的过渡。”
正如西班牙塞维利亚大学的理论物理学家
阿丹·卡贝洛 （
Adan Cabello）所说，CD驳斥了普遍存在的量子力学神话，即：量子世界与经典世界之间的过渡并不清晰，量子理论无法描述测量结果。 相反，他说：“量子理论完美地描述了古典世界的出现。”
如何完美的问题仍然存在。 一些研究人员认为，退相干和CD可以完整描述量子经典跃迁。 但是，尽管这些想法试图解释为什么在很大程度上大规模的叠加消失了，而仅保留了具体的“经典”特性，但是仍然存在一个问题，即为什么测量会给出独特的结果。 选择粒子的特定位置后，由于其量子描述而产生的其他可能性又如何呢？ 它们是真的吗？ 研究人员被迫从字面上坚持对量子力学的哲学解释，因为没有人能弄清楚如何在实验中得到这个问题的答案。
到实验室
在纸上，CD看起来很有说服力。 直到最近，这才是他所能吹嘘的。 但是在过去的一年中，三个研究团队独立地对该理论进行了实验测试，研究了它的主要特征：量子系统在其环境中打印其副本的方式。
实验依赖于能够精确地跟踪有关量子系统的哪些信息刻印在其环境中的能力。 例如，当一小撮灰尘与数十亿个空气分子一起飞扬时，就无法做到这一点。 因此，两个团队在一种“人造环境”中创建了一个仅包含少量粒子的量子对象。 这两个实验（
其中一个是由Paternostro与罗马的Sapienza大学的同事进行的，
另一个是由量子信息专家
Pan Jian-Wei Pan和他来自中国科学技术大学的合著者进行的）都使用单个光子作为量子系统，另外还有几个光子环境角色，与他互动并发送有关他的信息。
两个团队都通过光学设备传递光子，将它们分成几个复杂的组。 然后他们研究了来自环境的光子，以找出有关其编码系统光子指示状态的哪些信息-在这种情况下，是极化（振荡电磁场的方向），这是可以通过CD选择滤波器的量子性质之一。
CD的关键预测是饱和效应。 如果您跟踪环境中很少的粒子，几乎可以收集的有关量子系统的所有信息都将对您可用。 潘说：“互动环境的任何一小部分就足以提供有关所观测系统的最大数量的经典信息。”
两个团队发现了这一点。 对环境中仅一个光子的测量揭示了许多有关系统光子极化的可用信息，而对周围光子的较大部分进行测量则得到的新信息越来越少。 潘解释说，如果单个光子与单个系统光子非常活跃地相互作用，那么即使是单个光子也可以充当导致退相干和选择的环境。 在较弱的交互作用下，您将不得不跟踪很大一部分环境。
德国乌尔姆大学量子光学研究所所长Fedor Zhelezko
合成钻石在一位专门从事量子光学的物理学家，来自德国乌尔姆大学量子光学研究所的
Fyodor Zhelezko的指导下，对CD进行的第三次实验验证由Zurek等人参与，使用了完全不同的系统和环境。 它们由一个单个的氮原子代替钻石晶格中的碳原子组成-所谓的 金刚石或NV中心的氮取代空位。 由于氮原子中的电子比碳原子中的电子多，因此多余的电子无法在相邻的碳原子上自身找到一对并形成化学键。 结果，未配对的电子扮演了一个孤独的“自旋”的角色，就像一个向上或向下的箭头，或者通常在两个方向上叠加的箭头。
自旋能以13碳同位素的形式与原子中存在的碳核发生磁性相互作用，占碳原子总数的0.3％。
与更常见的碳12不同，这些同位素也具有自旋。平均而言，NV中心的每次自旋与1-13距离处的碳13的四个自旋紧密相关。通过使用激光和无线电脉冲控制和跟踪自旋，研究人员可以测量氮自旋的变化如何响应环境中核自旋的变化。正如他们在去年9月的预印本中所写的那样，他们还看到了CD预测的特征冗余：氮自旋的状态以多份拷贝的形式“记录”在环境中，有关自旋的信息随着所考虑的环境体积的增加而迅速饱和。祖雷克说，由于用光子进行的实验是通过模拟真实环境的方式人工创建副本的，因此它们不包括选择过程，该过程不会选择抗退相干的“自然”指示状态。研究人员自己规定了指示性状态。在这种情况下，钻石环境实际上会导致指示状态。祖雷克补充说：“钻石计划由于环境的规模而存在问题，但至少是自然的。”量子达尔文主义的推广
到目前为止，CD还在坚持。祖雷克说：“所有这些研究都至少找到了预期的结果。”里德尔说，人们几乎不可能想到相反的情况：在他看来，CD只是标准量子力学在量子系统与其环境的相互作用中的彻底而系统的应用。他说，尽管几乎不可能进行大部分量子测量，但如果测量足够简化，则预测将是明确的：“ CD就像是对量子理论进行一致性的内部验证。”但是，尽管这些研究乍一看与CD一致，但不能认为它们证明了该理论是对古典世界创造过程的唯一真实描述，甚至是完全正确的。 Cabello说，首先，这三个实验仅给出真实环境组成的示意图。而且，实验并不排除以其他方式出现世界经典图片。例如，波兰格但斯克工业大学的Pavel Gorodetsky及其同事开发的频谱广播理论正在试图推广CD。频谱传播理论（到目前为止已经针对几种理想情况进行了研究）涉及纠缠的量子系统及其环境的状态，这些状态给出了客观的信息，许多观察者可以在不干扰系统状态的情况下获得该信息。换句话说，她试图保证不仅不同的观察者可以访问环境中的系统副本，而且还保证在访问过程中它们不会影响其他副本。这也是真正的“经典”维度的属性。Gorodetsky和其他理论家也在尝试将CD纳入一个理论平台，该平台不需要将世界任意地分为系统和环境，而只是考虑古典现实是如何从各种量子系统的相互作用中出现的。 Paternostro说，寻找可以确定这些理论的预测之间非常细微差异的实验方法的任务可能很困难。尽管如此，研究人员并没有放弃，他们自己应该提高我们研究量子世界原理的能力。里德尔说：“进行这些实验的最佳论据可能是一个很好的练习。” “ CD的直接演示可能需要非常复杂的测量，从而扩展了现有实验室技术能力的范围。” 理解我们的测量含义的唯一方法似乎是进行更好的质量测量。