什么是量子达尔文主义？

苗千

“达尔文主义”一词已经在太多场合被滥用。即便如此，当这个名词的前面被加上“量子”两个字，还是会让很多人感到莫名其妙，或是从中嗅到一丝伪科学的味道。实际上，这个题目是目前在美国洛斯阿拉莫斯实验室工作的理论物理学家沃杰克·祖瑞克（Wojciech H. Zurek）研究了数十年的课题，目标正是为了解开量子力学中最令人迷惑的难题。迄今为止，把“达尔文主义”与量子力学联系起来，或许为人们理解量子力学的本质提供了一些新的思路，但是仍然远没有真正地解开谜题。

自然到底有多荒谬

物理学家理查德·费曼在1985年说：“希望你能够接受自然本來的面目——荒谬。”这位一生研究自然科学理论的诺贝尔物理学奖得主在去世前也只能以荒谬来描述自然。结合他其他的言论，可以认为他所说的荒谬正是量子力学中令人感到不解的地方，而其中最令人迷惑的，就是关于量子态与经典态之间的区别和转换。

100多年来人类对于微观世界的探索不可谓不成功。人类建立的描述微观世界运动规律的量子力学显示出了极强大的威力，至今为止任何一次关于量子力学的实验结果都符合量子力学的计算，它已经成为人类科学的基础理论之一。另一方面，人类也早就开始利用在微观领域中物质的一些特性制造一些全新的工具，例如以微观量子态和量子纠缠现象为基础的量子计算机正在从研发阶段逐渐进入应用领域，它正展现出远超传统电子计算机的计算能力。

即便人类在微观领域的探索越来越深入，在量子领域的应用研究也越来越成熟，然而如果找一个词来形容现在人类对于微观领域的感受，可能仍然是“荒谬”，原因就在于它违背了人类在生活中所积累的几乎所有“常识”。

一个物体只能存在于一个地方，它的大小、质量、运动速度都可以被测量，信息传播的速度不能超过光速……这些都属于人们日常生活的常识，然而在微观领域却都行不通。一个微观粒子处于量子态意味着它可以“同时”存在于多个位置，“同时”具有不同的运动状态，至于人类测量到它可能具有的诸多可能状态中的哪一种，又完全是由概率决定。在这样的量子力学描述中，人类天生所固有的存在观念，因果观念，乃至时空观，全都被打破了。在这种情况下，即使人类目前有能力利用这些量子特性制造出更有效的工具，也远谈不上对微观世界有根本的理解。

量子世界与人们所熟悉的宏观世界为何有如此之多的不同，两个世界之间的界限究竟在哪里？人类究竟需要几套理论来描述自然界？关于这些问题物理学家们争论已久。在微观世界中，波动性和粒子性可以同时存在，以至于让人们开始质疑自己对于“存在”的理解。在量子世界的种种不可思议与宏观世界的四平八稳之间，“观测”成了隔绝两个世界的关键步骤。一个处于量子叠加态的微观粒子，在被人类“观测”之后，只会给出各种可能结果中的一个。种种不可理解的量子态，在被观测之后，都只能给出一个确定的数值。在荒谬与被理解之间，间隔着人类的观测。

观测的本质又是什么？从科学角度到哲学层面，科学家们至今仍对此众说纷纭，甚至有人把人类意识的本质牵扯其中，但这也只不过是把一个难题转移到了另一个难题。对于这个困扰人类几十年的难题，目前物理学界存在着一个“标准答案”，也就是“哥本哈根诠释”。量子力学领域教父级的人物，丹麦人尼尔斯·波尔（Niels Bohr）在他于1921年创立的哥本哈根理论物理学研究所中聚集了一大批研究量子理论的精英人物，形成了所谓的“哥本哈根学派”。学派的首领波尔认为，人们概念中所谓的“真实”，在你对一个量子系统进行观测之前根本就不存在，是观测这个行为才使人们可以理解的“真实”出现——从这个意义上来说，人类可以反过来定义观测的概念，而且并不存在比这样的诠释更加深刻的解释，这样的解释也称为“互补原理”。

哥本哈根诠释之所以多年来在物理学界占据主流地位，就是因为它与各种实验结果相符，但是这样一个看似能够自圆其说的解释并不能让所有物理学家满意。观测被赋予了太特殊的意义，它成为量子世界和宏观世界之间的界限，这并未解释观测的本质，更没有说明它何以具有如此重要的意义。

与哥本哈根诠释相对的量子达尔文主义

量子达尔文主义可以说正是在这样的背景中应运而生，在它对于量子力学的诠释中，人们可以清晰地感受到一些物理学家对于哥本哈根诠释的不满。哥本哈根诠释虽然与目前为止一切实验结果相符，但它过于机械化地把自然现象分为“被测量前”和“被测量后”两种，又对于测量的真正含义避而不谈。是否可能有一种更合理的理解方式？

量子达尔文主义者们采取了一种与哥本哈根诠释针锋相对的方式，他们甚至否认“观测”的存在，他们认为利用“退相干”（decoherence）的概念代替观测以解释量子世界会显得更加自然。这一流派起始于现年85岁的德国海德堡大学的理论物理学家迪特·泽赫（H. Dieter Zeh）从上世纪70年代起进行的研究。在某种意义上，也可以说这一流派是50年代出现的对于量子世界进行所谓“多重宇宙”解释做出的一种延伸，其最主要的共同之处就在于如何解决“观测”这一行为在量子世界和经典世界之间的特殊作用。

物理学家理查德·费曼

1957年，普林斯顿大学物理系的研究生休·埃弗雷特（Hugh Everett）以《量子力学形式中的相对状态》（Relative State Formulation of Quantum Theory）为题目提交了自己的博士论文，正是在这部论文中第一次提出了“多重宇宙诠释”概念。3个月后，这篇论文的缩减版即被物理学界的顶级期刊《现代物理评论》（Reviews of Modern Physics）杂志所收录，该刊还同时收录了埃弗雷特的导师、著名物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）对于弟子这一创意的极高赞扬。

“多重宇宙”的创意是以一种思想方法来化解掉量子力学中“量子态”“波函数坍塌”等一系列让人无法以“常识”理解的效应，从而否认“观测”的重要性，甚至是其在量子力学中存在的意义。依照埃弗雷特的多重宇宙理论，每当观测者与处于量子态的物体发生相互作用（即传统意义上的观测行为），世界自然会根据量子态的不同可能性分化出呈现不同结论的分支。虽然对于观测者来说，他所观测到的数值是独一无二的，但实际上对于量子态来说，其中的每一个可能的数值都是客观真实的存在的，只是一个世界发生了“分化”（约翰·惠勒在审查埃弗雷特的博士论文时，特地删掉了“分裂”一词）。

多重世界诠释在出现之后虽然引起了一些争议，却马上遭遇了物理学界的冷淡对待，它的创始人埃弗雷特也因此大受打击，逐渐退出了物理学界，并且在抑郁和酗酒的状态里年仅51岁就去世了。对于量子力学的多重世界诠释之所以没有受到物理学界的认真对待，最重要的原因或许就在于它更多属于一种在哲学层面的思考方式，而不是一种可以被实验所验证的科学理论。一个严肃的科学理论需要有规范的数学形式来描述，同时对于自然现象做出正确的预测，相比之下，多重世界诠释通过一种思考方式，用一种多重世界的图景来代替被“观测”分割成两个世界的“哥本哈根诠释”，在某种意义上来说，算是用一种荒谬来替代另一种荒谬。

尽管受到多年的冷遇，而且并没有真正地解决问题，但多重宇宙诠释自有其意义，并且能够为其他的物理学家提供更多思路。多重宇宙诠释反映了埃弗雷特对于量子力学的看法，他认为量子理论不应当只适用于微观领域，人们所观测到的宇宙不应当被分为截然不同的两个部分。正是这样的思想启发了人们对于“退相干”理论的研究，这个理论认为，量子态之所以看起来奇特，正是因为它的独立性。一个处于量子态的独立系统的奇特之所以又会消失，是因为它融入于周围的环境，成为它的观测者的一部分。至于人类实验者对量子系统的观测，甚至是“意识”在其中的作用，实际上并不重要，因为整个宇宙都在“观测”着每一个量子系统。

多年来泽赫在海德堡大学开设一门名为“时间的方向”的课程，并且早已將讲义结集成书。从70年代起，他与其他几位物理学家共同开创了“退相干”领域的研究。如今，这一流派的物理学家相信，对于物理学来说，并不存在两套系统或是两个截然不同的领域，所谓的“经典世界”并非是通过观测从量子世界中浮现出来，而是量子世界在大尺寸宏观领域中的本来面目。

尽管没有为量子力学增加更多的因素（例如有些物理学家所倡导的“隐藏变量”），实际上进行退相干理论研究的物理学家们已经对于量子力学的基础做了最根本的改变，他们不接受量子力学最基本的假设——波函数的坍塌，也不承认微观物体从量子态到经典态的转变。

否定量子力学最基本的假设，意味着需要对于量子力学（这一套相同的数学结构）提出一套完全不同的基本假设，由此再衍生出一些完全不同的诠释，但是这些诠释彼此之间仍然会存在一些根本性的矛盾。祖瑞克发展了泽赫的退相干理论，他认为量子因为其“相干性”而展示出了奇异的量子态，但是这种量子相干性极易“传染”，当一个独立的量子系统与周围环境发生相互作用，也就意味着其相干性“传染”给了周围的环境（当然也包括其观测者），这就意味着观测者自身也成为这个量子系统叠加态的一部分。这个所谓的“退相干”的过程并非意味着量子叠加态消失，而是意味着成为其一部分的观测者失去了观测到这种叠加态的能力。

那么，在各种可能性之中，为什么当观测者去测量一个量子系统，会得到一个确定的值？祖瑞克认为，当一个孤立的量子系统与周围环境发生相互作用而融为一体的过程中，周围环境保留了可以在数学上呈现出对称性的结果而抛弃了其他可能性，祖瑞克称为“环境诱导的超选择”（environment-induced superselection）。随后，在被留下的可能性中间，被测量的量子系统会在测量仪器上留下自己的印记，也就是被测量值。

祖瑞克和他的同事们研究，一些量子态更容易留下其量子态，也就是说更容易被人们所观察到，在某种程度上也可以说，最能够“适应”的量子态最容易在周围环境中留下自身的印记——也就相当于在退相干的过程中存活下来——这个过程与达尔文主义所倡导的自然选择有异曲同工之妙，因此祖瑞克称为“量子达尔文主义”。从这个角度来说，光子可能是最不容易在环境中留下印记的粒子，它被产生之后就不轻易与周围环境发生相互作用，因此他们所携带的信息也就不容易被外界所获取，因此视觉也是人类最值得信赖的感觉之一。

答案依然很远

物理学家们对于退相干理论的研究，或是类比于自然选择理论的量子达尔文主义，在某种程度上化解了“测量”在量子系统研究中的特殊地位，但是并未解决全部的问题，比如它仍然没有解决量子系统的独特性问题。在退相干过程中被周围环境所保留下来的种种可能值之间，为什么人们只会得到其中的一个？

在目前的物理学界，哥本哈根诠释仍然拥有大多数支持者，而与之相对的退相干理论的研究也正在获得越来越多的关注。这两个看似对立的对于量子力学的理解，实际上涉及人类关于真实认知的迷惑。退相干理论认为量子理论与人们所习惯的经典理论并无不同，人们所看到的经典世界，无非就是量子世界在这个尺度的表现而已，而所谓对于量子系统的测量，也只是量子系统与周围环境发生相互影响的一部分而已;在哥本哈根诠释中，测量的意义在于人们所习惯的真实的出现，在被测量之前，一个量子系统并不存在一个真正的数值——所谓的量子态是一种数学形式，人类从来没有真正地“看到”量子态，因此它并不与人们所感受到的真实世界发生矛盾。

对于微观世界乃至真实本身的理解，究竟是需要更精妙的数学形式，还是更深邃的哲学思考，目前尚未可知。人们无法预知未来，甚至无法理解目前的物理学界正在酝酿着怎样的突破。面对种种迷惑，我们只能说答案依然很远。