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量子宇宙比你想象的更奇怪
物理学家Sebastian Deffner说，量子世界充满了奇特的现象，但它们在我们看来可能是正常的，这是有原因的。
量子物理学的确是个有趣的时代！近年来，对量子技术的投资已从十年前的数百万美元增至 2022 年的 25 亿英镑。
好莱坞也在大肆炒作 "量子电影"，包括最近上映的《蚁人》——MCU 中的 "量子狂热"。
"量子狂热 "似乎是对我们目前所处的炒作周期的描述，在这个周期中，什么是事实，什么是虚构，并不明确。这其中有些是由于故事的编排，有些则与量子物理学有关。不过，我们不应该苛求自己，因为我们很难理解量子系统是如何工作的。在我们的日常生活中，我们通过感官来了解宇宙。视觉、触觉、听觉、味觉和嗅觉为我们提供了对任何事物的洞察力和直觉。 例如，我们会本能地端起一杯水，而不加任何思考。
但是，如果我们想象那只水杯坠入位于银河中心的黑洞，我们就会感到完全困惑。为什么会这样呢？因为我们从未亲眼目睹过。我们能感知到的事物会影响我们的本能，塑造我们对世界运行的预期。物理学家将此称为 "经典机制"。
冰点温度下的微小系统与外太空黑洞的行为类似，而我们却很难理解这种行为。在这种情况下，我们常常假定物体的行为与我们熟悉的生活中的一样。一个多世纪以来，我们已经意识到量子物理学涉及一些非常不寻常和奇异的现象。
关于量子世界和经典世界之间差异的最著名的解释性说明，或许更准确地说，是臭名昭著的薛定谔的猫。在这个假设中，一只猫被关在一个封闭的盒子里，盒子里有毒气，当毒气被一种元素的放射性分解产生的粒子击中时，毒气就会释放出来。由于我们无法准确预知这种分解会在何时发生，因此箱外的任何人都无法知道这只猫是否以及何时会死亡。只要盒子不被打开，这只猫就可以说是处于既死又活的 "叠加 "状态。
这个实验有助于发展量子理论的复杂性，但在很多科幻小说中却被曲解了。如果一个生物同时处于既死又活的可怕状态，那就太荒谬了。
薛定谔的真正意图是想说明，不在盒子里的旁观者无法知道猫之前是发生了什么还是没有发生什么。 物理学家维尔纳-海森堡(Werner Heisenberg)将观察者的这种不知情定义为 "不确定性原理"。在经典观察者进行测量之前，物理项目的经典状态是无法确定的。
然而，量子态可以同时存在于许多经典状态中。然而，这也带来了一个问题：谁才是经典观察者？作为人类，我们为什么要对事物进行经典观察？为什么我们在日常生活中看不到任何量子效应？要理解这一点，我们需要知道 "观察 "的真正含义。
据估计，我们所获得的关于周围环境的信息约有 90% 来自我们的眼睛。从微观上讲，这意味着我们通过捕捉从物理物体上反射回来的光子(包含动量的能量包)来发现周围的事物。由于我们从未亲眼目睹过量子效应，我们不禁要问，为什么光子在与物体相互作用的过程中无法获得任何有关物体量子特性的信息呢？
原因就在于它们与光的相互作用。无数光子从不同角度不断撞击物理物体，最终迫使它们稳定在平衡状态，保持不动。光只能带走静止物体属性的细节。
那么，这是否意味着，如果我们能观察到量子态，它们就不是真实的呢？事实上，它们是真实的，但它们的量子特性不会持续太久。
量子态之所以真实，是因为它们可以被视为经典状态的叠加。问题是，当光子介入时，这种叠加是不可预测的，而且很容易发生变化。理论物理学家已经证明，只有基本的经典状态才能承受退相干过程。退相干结束了所有其他量子态，只留下被认为是经典的位置。
想过为什么你和你的朋友看到的物体是一样的吗？这是因为我们的眼睛只能捕捉到分散光子的一小部分。而每一部分都有完全相同的细节--物体在光粒子的撞击下幸存下来的静态属性。当一个系统与周围环境变得稳定时，截取任何光子碎片都会得到相同的数据。因此，观察变得主观和相对--你和你的朋友感知到的是同样的东西。
这就是 "量子达尔文主义 "的基本方面，它阐明了为什么对我们来说，宇宙似乎是经典的，而量子效应却不可见。对我们大多数人来说，"达尔文主义 "一词似乎并不适合物理学。毕竟，我们指的不是生物在进化过程中对周围环境的适应。 达尔文主义的主要原则是 "适者生存"，这与静止态的发展过程类似。只有经典态才能在退相干中存活下来，因为非经典态并不适合。
知道了量子系统失去量子性的原因，就有了完全进入这些状态的明确途径。我们需要找到将量子系统与其周围环境完全分离的方法，以防止它们受到影响并失去相干性。
尽管这些论点很有说服力，但量子达尔文主义仍是一个正在研究的领域。大约 20 年前，洛斯阿拉莫斯国家实验室的理论物理学家 Wojciech Zurek 首次提出了量子达尔文主义的关键概念。如今，科学家们正在探索复杂的细节，并以严谨的数学方式为其中一些直观论点提供证据。为了进一步了解这一主题，我们在今年早些时候出版了一本纪念祖雷克 70 岁生日的书。
对其他人来说，这意味着什么？虽然看《蚁人与黄蜂女》在量子领域打败姜文仍然很有趣，但我们应该认识到，量子领域只是一个为娱乐目的而创造的概念。真正的量子宇宙更加奇特，但我们永远无法亲眼目睹。现实情况是，如果探测到构建量子系统的光子，它就不再是量子系统，这意味着我们永远无法真正接触到经典世界之外的任何事物。
本文译自 New Scientist，由 BALI 编辑发布。