什么是量子达尔文主义? 第1页

When a quantum system gives up information, its own state becomes consistent with the information that was disseminated.^[1]

写在最前

量子达尔文主义可以看作是退相干理论的一种进阶版本。很多人对退相干理论有一种误解，认为它是量子诠释的一种。其实不是的。退相干理论是在量子力学形式框架下严格推导的产物，它是一种动力学，而不是一种诠释。从根子上，它甚至更像一种“闭嘴计算”的分支。

退相干理论的确给人带来了很多洞见，并且为很多种诠释解决了关键问题（尤其是多世界理论）。但是对于形式理论本身固有的问题，它却无能为力，因为它就是形式理论内部的一种东西。

量子达尔文主义在此基础上多走了一步，试图突破形式理论本身。它更像是一种“诠释”而不单单是一种巧妙的动力学理论。并且，在本人看来，它已经离真相不远了。

薛定谔猫和量子测量问题

为了吸引读者，我要把这只倒霉的猫牵出来摆在门前，让它给我当招财猫，希望大家赏脸哦。

用抓眼球的话来说，量子测量问题等于是在问，

“薛定谔猫到底是死的还是活的还是既死又活的？”

从宏观上来看，量子力学的叠加性和幺正演化非常违反直觉，诸如态叠加、干涉、不确定性、量子纠缠等等一切量子现象。然而我们在宏观世界中的 经验告诉我们，这些怪异的量子现象不会再宏观世界中发生：一个粒子不会既在这儿又在那儿；一只猫不会既死又活；当你在跑步中和同伴相撞的时候，你们两个人也不会突然变成了两团波纹，互相叠加、干涉，然后毫无滞涩地穿过对方 – 你们只会撞在一起然后弹回去，不论你们如何努力地加快速度，你们都只能发现你们撞得更加头晕眼花，而不可能穿过对方。

“正统”的哥本哈根诠释把这种不同当做理所当然：存在着某种边界 –所谓的“海森堡边界”，把系统分为经典尺度和量子尺度。微观粒子必须满足量子力学，而宏观物体则是经典事物，需要用经典物理来考虑。随着尺度的增大，在某个时刻，量子力学就失效了，经典力学取而代之。我们不知道量子力学具体在何时失效，也不知道它为何失效，但是我们可以假设它在某时因为某种原因失效了 – 这就是“坍缩”。

而很多理论对此坚决反对，它们追求一种统一的图像：试图用单一的量子定律（也就是幺正演化）来囊括量子和经典现象。一言蔽之，不存在所谓的经典现象，经典现象不过是量子现象在宏观尺度上的涌现。在这个涌现过程中，并没有明显边界，就好像我们一粒一粒地将沙子堆起来，它自然而然就变成了“一堆”，但是它何时变成“堆”的？这个问题就没有明确答案。

那么，量子世界和经典世界完全不同的现象之间，有没有这样一个桥梁，使得一个没有“量子-经典边界”的和谐统一的理论，自然而然地从微观现象过渡到宏观现象呢？如果存在这种桥梁，那么我们就要放弃哥本哈根诠释的那种独立假设的坍缩过程，转而用一个普适的理论来描述一切。我们就需要寻找到这样的一种机制：量子力学可以合理地把“坍缩”和“概率”归结为一种表象的、涌现的效应，而不是一个我们强加给理论的突兀假设。

这里的量子经典之间的冲突，被物理学家Zurek总结为三个问题：

1、“干涉消失问题（loss of interference）”：干涉现象在微观是普遍存在的，为何宏观中看不到任何干涉现象？状态之间的相干性是如何消失的？

2、“偏好基问题（preferred basis problem）”：在量子力学中，态叠加是一个普遍存在、并且从逻辑上不可避免的现象：每一个量子态都可以看做是其他若干量子态的叠加。然而，在我们的经典世界中，我们日常看到的物体总是有确定的位置，而不是同时处于不同位置的叠加；总是由确定的动量，而不是同时处于不同动量的叠加。这究竟是为什么？为何我们在宏观世界看不到一般的“叠加态”，而总是看到确定的位置、确定的动量这样的“经典状态”？为何诸如“确定的位置”之类的经典态如此特殊，被观察所“偏好”？

3、“确定结果问题（outcome problem）”：即使是我们解决了偏好基问题， - 能够合理解释为何宏观世界中“或死或活”的状态要优于“既死又活”的状态，我们仍然面临着另外一个问题：为何我们的观察能得到其中某一个确定的结果？我们的观察在“死或活”二者之间是如何做出选择的？粒子被观察时，在这一组偏好基中那么多的本征态中，是什么，使得粒子在被观察的时候，“选择了”某一个特定的本征态而不是其它？说到底，“玻恩规则”是怎么回事？“概率性”又该如何解释？

详细可参考：

一点点退相干的调味品

退相干的目标就是消除量子经典边界：不存在波函数坍缩，所谓的坍缩是在一个整体幺正的、无坍缩的纠缠系统中的一个子系统中幺正演化看似打破，以及从纯态到假混合态（improper mixed state）看似“坍缩”的过程。

说到底，观察意味着纠缠，而纠缠意味着量子态不可分割，而不可分割则意味着系统的性质无法被独立的量子态描述。当我们只谈论系统的时候，大量的纠缠信息就丢失了：它被扩散到观察所不能及的外部了。这里，纠缠系统的两个特性，不可分割性以及整体不等于部分的加和就成为“坍缩”的罪魁祸首。

量子系统无时无刻不浸泡在环境之中，它无时无刻不受到环境的不可控侵扰。系统总是在与系统形成或多或少的纠缠，系统信息因为越来越多的纠缠而被扩散、“泄露”出去。由于环境自由度如此之巨大，最终使得这种纠缠成为压倒性的、不可避免的。因而我们的观察结果在绝大多数情况下就是不完整的。事实上，只有那些“经典”的状态（确定的位置、动量等）才有可能在这个过程中不丢失，被我们接受到。这就是退相干理论的核心结论。

孤立系统可以说是物理学发展史上最重要、做出贡献做大的概念之一：它使得我们的研究变成可能。但是这个概念，在量子力学中却崩塌了。 不存在孤立系统，量子系统永远都是开放的。

于是，系统与环境不断纠缠，就成为与整个宇宙纠缠在一起的一部分。整个宇宙严格地遵守薛定谔方程演化，但是，当我们只关心这个系统时，由于我们对不可分割的宇宙强行划分，我们就丢失了很多信息。这个系统就不再是幺正演化了，而相应地，纯态就变成了混合态 – 这是一个“假混合态”（improper mixed state），因为在整体上它仍然是一个纯态。

而幺正演化是信息守恒的。所以，当我们试图观察系统状态的时候，我们其实是在于环境“争夺”关于系统状态的信息。我们必须要知道，环境是巨大的，而我们是渺小的。环境巨量的自由度与系统之间的纠缠是压倒性的，因而系统的大量量子信息扩散到环境中而无法被我们捕捉到。我们只能获得关于系统状态的极少量信息：那些没有被环境“劫持走”的信息。

在这个信息泄露的过程中，只有那些在纠缠中能够保持相对独立的那些信息可以保留下来被我们看到。绝大多数信息都会因为与环境发生纠缠而泄露在环境当中，最终无法追溯，只有极少量的信息能够保持独立性。而这种可以保持独立性的信息，才是那些可以被我们观察到的。这些信息，就是在与环境相互作用中，不与环境发生纠缠的那一些。

比如说，我们有这样一个系统，它会与环境发生特定的相互作用：

这里， 和 之间相互正交。

它们与环境发生相互作用后，演化过程中仍然可以保持在张量积的形式，也就是说，在演化过程中，这两个状态不会与环境形成纠缠。因而，它们的信息就分别保持在独立的系统之内，而不会被环境“劫持”走。我们就总是可以通过观察获得这两个状态的完整信息。

而这时候，这个系统中某个任意状态，也就是两个状态的任意叠加（忽略归一化）：

对于这样的状态，根据线性演化，它与环境发生相互作用的结果就会是如下的：

我们发现，此时，在初始相互独立的系统和环境状态，经过演化后，就无法在表示成为（系统） （环境）的张量积形式 – 也就是说此时系统和环境不再相互独立，系统状态与环境状态形成了纠缠。既然形成了纠缠，这个状态就被环境劫持，扩散到环境当中去了。那么，在我们对系统进行观察时，这个状态我们就观察不到 – 它损失掉了。

我们就看到，在这个例子中，所有可能状态中只有 和 能够在与环境的相互作用中保持独立，因而它们就能在环境的干扰下仍然可以被观察到。但是以它们为基底的任意叠加 ，就都不能保持这种独立性。也就是说， 和 是一对稳定的基底，而其他任何基底都不可能稳定 – 于是我们就有了一对偏好基。

这样一来，整个外界环境形成了一个“筛子”，把这对基底之外的所有叠加态全部筛掉，只剩下这两个状态可以被我们观察到：系统与环境的相互作用替我们“选择”了一套我们能够观察到的“偏好基”，而屏蔽掉了它们的叠加态，使它们观察不到。这个，就叫做“环境选择”（Environment induced superselection，或者简写为Einselection ）。

而那些被环境的“筛子”保留下来的“偏好基”，就是恰恰就是我们日常看到的经典状态：确定的位置、确定的能量、确定的电荷等等。正是由于它们被环境选择成为偏好基，才能被我们日常观察到，成为我们的经验，也就是所谓的“经典状态”

这个过程，也可以换一种角度来看。环境本身就是一个观察者，它无时无刻不在保持着对系统的观察。既然环境持续对系统进行着观察，那么系统就只能保持在环境观察的本征态下。而自然界中绝大多数的相互作用（势函数）都是位置的函数。因此这种势函数就使得环境扮演了一个对位置进行持续观测的观察者。因而，确定的位置就总是能够在纠缠中保持独立，这就解释了为何我们日常看到的物体总是有一个确定的位置，而不是多个位置的叠加态。

关于退相干理论，更详细的解释在这里：

退相干解决了什么？没解决什么？

应该说，退相干理论是一个填补了关键缺失链条的一个理论。这个理论中，合理解决了三大问题中的两个：干涉消失问题和偏好基问题。也就是说，它回答了两个问题：

1. 为何在日常中我们看不到宏观物体之间的干涉？
2. 为何我们的察总是只能看到“经典”的状态，而看不到叠加态？用流行的例子说，为何我们只能看到死或活的猫，而看不到既死又活的猫？为何我们总是看到一只猫或狗，而看不到既猫又狗的东西？

但是，应该指出的是，退相干理论是一种在量子力学的形式框架下发展的动力学理论，它的解释力完全取决于形式理论本身的解释力。对于形式理论本身面临的难题，它是无能为力的。它的突破在于，它找到了很多历史上各类诠释中所忽略的、没能发掘到的形式理论本身隐含的东西。但是，形式理论本身的问题，退相干也是无能为力的。最尖锐的就是，“坍缩”到底存在不存在？

退相干理论的整个框架，核心就是密度矩阵的偏迹。但是无论其数学形式如何，它都是投影公理和玻恩规则的体现。从这个角度上，它并没有说什么新鲜的东西。

更何况它对输出值问题无能为力。

量子达尔文主义的主张

为此，退相干理论的大佬，Zurek，在退相干理论的基础上更进一步，力图来解决未竟问题。

Zurek决定，用最彻底的纯幺正纲领重新表述量子力学。它的主旨就是：量子力学可以从内部（不需要外部观察者的概念）解释经典现象的涌现。他把量子力学的基本公设列出来（当然公设的提法和一些教科书可能有所不同，但是本质其实都是一样的）

1. 复合系统希尔伯特空间为子系统空间的张量积
2. 量子态居住于希尔伯特空间（“态叠加原理”）
3. 量子态的演化是幺正的（“幺正演化”）
4. 重复测量得到相同的结果（“可重复性”）
5. 测量得到本征态之一（“坍缩”）
6. 得到哪一个本征态的概率满足玻恩规则（“玻恩规则”）

Zurek于是说，这些公设当中，1~3是理论的纯数学结构，而4是任何物理理论所必须（或trivial）的，这些都没有问题。而真正的问题出在5和6。它们也是各类诠释中争论的焦点。

那么，目标设好了：要消解掉5和6，转而从从1~4推导出它们，把量子力学变为纯幺正的量子力学。

出发！

何为客观现实？

从退相干理论到量子达尔文主义的第一步，就是跨出舒适区，考虑一下大家互相争论不休的“客观现实”到底是一个什么东西？

Zurek说，何为“客观现实”？客观现实就是我们在观察过程中所呈现的一种一致性。也就是说，对一个现象的观察中：

• 不同的观察者得到相互一致的观察结果
• 前后的观察中呈现出可重复性
• 不同的观察角度得到相互一致的观察结果

而这个过程中，就像是退相干理论一样，环境起到了至关重要的作用。在量子达尔文主义中，环境的作用有了一些反转：在退相干理论中，环境是一个筛查者，它把系统中大部分信息破坏掉，只留下经典的信息让人们看到；但是在量子达尔文主义中，环境是信息通过其中传递给观察者的通道，它是一个信息传递的见证者。

这就从环境选择（enselection）变成了环境见证（environment witness）。

我们对量子系统的观察，并不是直接观察其本身的，而是在观察其周围的环境。通过与环境的相互作用，量子系统把自身的信息“写入”环境中，从而被我们看到。比如说当你在看这篇回答的时候，你看到的是它发出的光穿过一段环境到达你的眼睛中所携带的信息。

这样一来，就有了一个关键问题：环境是巨大的，每个观察者只能观察到一小部分环境碎片。我们所观察到的系统留给环境的信息，只有一小部分碎片。

每个观察者、每次观察，所观察的都是不同的环境碎片，并且都是极少的一部分碎片。那么，客观性就要求我们从这些各个小碎片中得到相同的信息。也就是说，有一部分关于系统的信息不但不被环境破坏，而且在传播中大量复制，以至于我们随便观察一小部分环境都得到相同的结果。而那些不能被复制的，就不会成为客观现实。

因此，一个能够成为客观性的度量，就是我们通过观察任意一小部分环境都可获得相互一致的信息。