在科学作家菲利普 · 鲍尔（Philip Ball）认为，退相干现象或许能够弥合量子物理与经典物理之间的鸿沟。
沃杰克·祖瑞克（右）的研究成果能否在埃尔温·薛定谔（左上）和尼尔斯·玻尔（左下）的基础上，解释可观测的现实是如何从量子理论中涌现的？
在量子理论的各种主流诠释中，没有一种是足够有说服力的。例如，它们要求我们相信，我们所体验的世界与构成它的亚原子领域之间存在着根本性的割裂。或者，这些理论认为存在着疯狂增殖的平行宇宙，或是某种神秘过程导致了量子特性的自发坍缩。在我2018年出版的探讨量子力学意义的著作《量子力学，怪也不怪》（Beyond Weird）中，这种令人不满的现状是我关注的核心要素之一。难怪在量子理论发展一个世纪后，对于量子理论如何描述现实这个话题，专家之间仍然存在着巨大的分歧。
但在读完物理学家沃杰克 · 祖瑞克（Wojciech Zurek）于2025年3月出版的《退相干与量子达尔文主义》（Decoherence and Quantum Darwinism）一书后，我发现有可能找到一个能够摒弃所有这些空幻概念的答案，这种可能性让我感到兴奋不已。祖瑞克任职于新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室，数十年来一直致力于解决这样一个问题：支配原子和亚原子粒子行为的量子规则，是如何转换为在日常生活尺度下运行的经典物理规则（如牛顿运动定律等）的？
这种转换被称为退相干。关于退相干如何发生，祖瑞克的核心观点已经相当成熟。但《退相干与量子达尔文主义》首次将他一直以来探索的各个要素整合成了一个宏大的综合体系。他认为，量子理论的古老谜团正开始消散。在我看来，祖瑞克在没有引入任何实质性的新假设或推测性假设的前提下，几乎妥帖处理了困扰物理学界100年的难题。通过这种方式，他声称统一了此前不可调和的矛盾。让我们看看他的方法能带我们走多远，以及残留的谜团究竟何在。
如果你对量子力学有所了解，那么你或许会认为它关键的诡异之处在于“量子”这部分：世界在最微观的尺度上是颗粒状的，粒子只能通过交换固定大小的能量包，以突然的量子跃迁方式来改变能量。这么想也是人之常情——但这件事本身其实并不那么令人费解。又或者，你会认为最怪异的是维尔纳 · 海森堡（Werner Heisenberg）著名的测不准原理，它规定，对于某些属性对——例如粒子的位置和动量——我们永远无法以超过特定限度的精度同时获知二者。一旦精确地测量了粒子的位置，它的去向就会变得不可知。但这种不确定性仅仅是某个更深层问题的表象。
归根结底，关于量子力学的争论牵涉更大的利害：现实的本质。基本问题在于，量子理论告诉我们，如果我们对诸如原子或电子之类的量子系统进行测量，可以期望某种观测结果。这听起来可能与其他科学理论并无二致，但事实并非如此，因为量子力学实际上提供的是测量结果的概率。单凭这一点，我们无法在进行测量前推断出世界究竟是什么样。它不告诉我们世界如何，只告诉我们，如果我们去看，会看到什么。马里兰大学的物理学家兼哲学家杰弗里 · 巴布（Jeffrey Bub）告诉我，量子不确定性“并不仅仅代表对实际情况的无知，还代表着一种对尚未具备真值之物的新型无知，即在测量之前，某物根本不存在于这种或那种状态”。
在埃尔温 · 薛定谔（Erwin Schr?dinger）于1926年提出的量子力学公式中，量子系统的状态由一个被称为“波函数”的数学实体表示。波函数是一种抽象结构，允许我们预测对该量子系统进行测量时出现各种可能结果的概率。在我们测量其某种属性（例如电子的位置）之前，所有可能的位置都在波函数中以一个“叠加态”来表示，这意味着每个位置都有一定的概率被观测到。任何给定的观测或测量都只会看到其中一个结果，而连续进行的相同实验可能会看到不同的结果。测量行为似乎使这种模糊的量子特性消失了，取而代之的是某种确定的、更符合我们经典现实体验的东西。
雕塑《量子云》位于英国伦敦，由安东尼·葛姆雷（Antony Gormley）设计，它看似是一堆随机粒子的集合，但在中心处显现出一个人形轮廓。它的灵感来源于经典现实从量子物理中涌现的现象
因此，波函数无法在我们测量之前告诉我们量子系统是什么样子。相比之下，在宏观尺度的经典牛顿物理学中，即使无人观测，物体也具有定义明确的属性和位置。经典世界与量子世界似乎被海森堡在20世纪20年代末所说的“边界”隔开了。对于他以及哥本哈根的尼尔斯 · 玻尔（Niels Bohr）来说，现实必须由经典物理学来描述，而量子力学则是我们作为经典实体本身，为了描述我们对微观世界的观察结果所需要的理论，仅此而已。
但为什么大物体和小物体需要遵循经典和量子这两种截然不同的物理学呢？这两种物理学又是如何以及在哪里发生转变的呢？对玻尔和他的同事们来讲，原子尺度与人的尺度之间的差异似乎是如此巨大，以至于这个问题好像并不重要。他们说，无论如何，对于在哪里设置“边界”，我们拥有一定的选择余地，具体细节取决于我们决定在量子方程中纳入哪些内容。但如今，我们可以在许多种尺度上探测世界，包括处于中间地带的“介观尺度”（例如几纳米）：在这一尺度上，我们尚不清楚应适用量子规则还是经典规则。事实上，如果实验得到精确控制且足够灵敏，我们仍然可以在大到足以用普通光学显微镜看到的物体中发现量子行为。因此，如何解释量子到经典的转换——如同在我们拉远视角或进行测量时发生的“变实”过程——是一个无法回避的问题。
量子力学本身似乎并未解释这一测量过程，也即无法解释波函数中代表的所有量子概率如何“坍缩”为单一的观测值。对于玻尔和他在哥本哈根的同事们来说，这种坍缩只是比喻性的：是对我们所体验的经典世界的反映。另一些人试图将坍缩解释为一种真实、自主、随机发生的物理事件，它从众多的可能性中挑选出一个唯一的结果——尽管他们尚不清楚究竟是什么因素导致了这种物理坍缩。还有一些人则诉诸路易 · 德布罗意（Louis de Broglie）提出、大卫 · 玻姆（David Bohm）扩展的描述，即粒子确实具有定义明确的属性，但它受一种神秘的“导航波”引导，这种波造成了量子对象的奇异波动行为（如干涉）。其他人则采用了休 · 埃弗雷特（Hugh Everett）在1957年提出的诠释，即现在通常所说的“多世界诠释”。该诠释假设坍缩并不存在，所有的测量结果都在平行宇宙中实现，因此现实在不断地分岔成多个彼此无法通达的自我版本。
所有的这一切一直让我觉得荒诞。我们为什么不能看看仅凭传统量子力学能走多远呢？如果我们能利用该理论的形式数学框架成功解释一个唯一的经典世界是如何从量子力学中产生的，就可以摒弃玻尔“哥本哈根诠释”中那些令人不满且人为设置的“边界”，以及其他理论中那些晦涩复杂的累赘了。
而这正是祖瑞克的研究大显身手之处。从20世纪70年代开始，他与物理学家海因茨-迪特尔 · 泽赫（Heinz-Dieter Zeh）仔细研究了量子理论本身揭示了测量结果的哪些信息。
祖瑞克方法的核心要素是被称为量子纠缠的现象，这是发生在量子尺度上的另一种非直觉现象。薛定谔于1935年为这一现象命名，并认为它实际上是量子力学的核心特征。阿尔伯特 · 爱因斯坦及其同事指出，当两个量子粒子通过物理力接触并表现出诡异的相互关联后，就出现了纠缠现象。如果你测量其中一个粒子，你看起来就像瞬间影响了另一个粒子的属性，即使它们已不再靠近。“看起来”是这里的关键词：实际上，量子力学认为这种相互作用及随之产生的纠缠使得这些粒子不再是独立的实体。它们由单个波函数描述，该波函数定义了两个粒子的可能状态。例如，联合波函数可能指出，无论其中一个粒子的磁取向如何，另一个粒子必须指向相反的方向。
当粒子相互作用时，纠缠是不可避免的。这对测量过程具有重要意义：被观测的量子对象会与测量仪器的原子发生纠缠。这里的“测量”并不一定意味着用某种精密的科学器材探测物体，它适用于任何能与其环境相互作用的量子对象。苹果中的分子由量子力学描述，从表面分子反弹的光子会与它们发生纠缠。这些光子将有关分子的信息传递到你的眼睛——比如苹果表皮的红色，这种颜色源于构成苹果表皮的分子的量子能态。
换句话说，祖瑞克和泽赫意识到，纠缠无处不在，它是连接量子与经典世界的信息管道。当量子对象与其环境发生相互作用时，它便与环境纠缠在一起。泽赫和祖瑞克仅仅使用常规的量子数学就证明，这种纠缠“稀释”了有关对象的量子特性，因为这种特性变成了与纠缠环境共享的属性，使得量子效应在对象本身中迅速变得不可观测。他们将这一过程称为退相干。例如，量子对象的叠加态会分散到它所有的环境纠缠中，因此要推导出该叠加态，我们需要检查所有（迅速增加的）纠缠实体。实现此事的可能性微乎其微，就像指望在墨滴散入大海后还能将其重组一样。
退相干发生得极其迅速。对于悬浮在空气中的尘埃颗粒来说，它与光子及周围气体分子的碰撞将在约10-31秒内产生退相干——这大约是光穿过单个质子所需时间的百万分之一。实际上，一旦精细的量子现象遭遇环境，退相干几乎会瞬间将其摧毁。
但测量并不仅仅关乎退相干。正是与环境的纠缠使得有关对象的信息印在了环境上，例如印在测量设备中。在过去的二十来年里，祖瑞克一直在研究这是如何发生的。结果表明，某些量子态具有数学特征，使它们能够在环境上生成多个印痕，而不会被退相干模糊到不可见的程度。因此，这些状态对应于那些在可观测的、已退相干的经典世界中“存活”下来的属性。
数十年来，沃杰克·祖瑞克（上）一直致力于消除量子与经典物理之间的鸿沟，他的合作者包括杰斯·里德尔（左下）以及已故的海因茨-迪特尔·泽赫（右下）
这件事之所以可能发生，是因为产生每个印痕的相互作用保留了量子系统在相互作用之前的状态，而不是将其撞入不同的状态或使其与其他状态混合。例如，光子可以从原子上反弹并带走关于其位置的信息，而不会改变系统的量子态。
祖瑞克将这些稳健的状态称为“指针态”，因为它们能使测量设备中的指针指向特定的结果。指针态对应于经典可观测的属性，如位置或电荷。与此同时，量子叠加态不具备这种性质；它们无法稳健地生成副本，因此我们无法直接观测它们。换句话说，它们不是指针态。
祖瑞克表明，指针态可以高效且稳健地在环境中反复留下印痕。他告诉我，这类状态是“最适者”。“它们能在复制过程中存活，因此有关它们的信息能够增殖。”类比达尔文演化论，它们之所以被“选择”转译进经典世界，是因为它们擅长以这种方式被放大——也可以说是被复制。这就是祖瑞克书名中“量子达尔文主义”的由来。
这些印痕会以极快的速度增殖。2010 年，祖瑞克和他的合作者杰斯 · 里德尔（Jess Riedel）计算出，在1微秒内，来自太阳的光子会给一颗尘埃颗粒的位置留下约1000万次印痕。
祖瑞克的量子达尔文主义理论——我要再次指出，该理论仅仅使用了量子力学的标准方程来描述量子系统与其环境的相互作用——做出了目前正在通过实验验证的预测。例如，它预测量子系统的大部分信息可以通过环境中的极少数印痕获取；信息含量会迅速达到“饱和”。初步实验证实了这一点，但仍有更多工作要做。
如我们所见，每个印痕都对应着一次经典观测：我们可以将其视为我们所处现实的一个元素。例如，在这个印痕中，电子的磁取向向上。但由于原始量子态包含了不同结果的概率，我们是否可以想象，一个印痕可能对应着“向上”，而另一个对应着“向下”，以至于不同的观测者看到了不同的现实——这不完全是叠加态，而是叠加态以多个经典现实版本的形式呈现出的清晰结果？
这引出了退相干理论的另一个启示，也正是这一点让我相信，祖瑞克的理论已经完备且全面。它预测所有的印痕必须完全相同。因此，量子达尔文主义坚称，量子概率中必须能涌现出一个唯一的经典世界。这种共识消除了一直以来颇为神秘且只是权宜之计的“坍缩”，转而采用了更严谨的解释。被观测的对象，被其在宏观环境中的一团彼此一致的可观测印痕包围，构成了祖瑞克所称的“相对客观存在”的元素。它成为我们具体的经典现实的一部分，他将其称为“外存元”。
这正是该理论有望化解量子理论各大诠释争端的关键。祖瑞克表示，它实现了似乎不可能实现的目标：哥本哈根诠释与多世界诠释的和解。在前者中，波函数被认为是认识论的：它描述了我们对量子世界的认知。在后者中，波函数被认为是本体论的：它是终极现实，是对所有现实分支的同时描述——尽管我们只能体验量子多元宇宙中的一个分支。祖瑞克认为波函数实际上既是认识论的，也是本体论的。当我询问他书中的理论观点时，他告诉我：“关于量子态的两种冲突观点，即认识论和本体论的观点，以及坚持量子态必须只属于其中之一的看法都是错误的。”相反，量子态是“认识-本体论”的。也就是说，在退相干发生之前，所有的量子可能性在某种意义上都是存在的。但退相干和量子达尔文主义仅从中选择了一个作为我们可观测现实的元素，而不需要为所有其他可能性分配其他世界中的经典现实。其他状态存在于具备可能性的抽象空间中，但它们仅止步于此，永远没有机会通过纠缠生长为可观测的现实。
我不打算断言祖瑞克的图景终于澄清了量子力学。例如，为什么在给定的测量中选择了这个结果而不是那个结果？我们是否必须（如玻尔和海森堡所坚持的那样）接受它是随机发生的，没有任何原因？量子世界在什么时候不可逆转地确定了某个特定的测量结果，以至于我们无法再从对象与环境纠缠的互动网络中“收集”叠加态？最重要的是：我们如何更严谨地验证这一理论？
我曾就祖瑞克的图景采访过一些专家，他们表现出了谨慎的热情。例如，澳大利亚昆士兰大学的萨莉 · 施拉普内尔（Sally Shrapnel）告诉我，祖瑞克的方案“代表了一种解释经典性如何从量子理论基本假设中涌现的优雅方法”，但它仍未解决“底层的‘量子基质’究竟是什么”这一棘手问题。例如，我们该如何看待退相干之前所有可能性仍然存在的那个领域？它有多“真实”？
苏黎世联邦理工学院的雷纳托 · 雷纳（Renato Renner）并不相信解决哥本哈根诠释与多世界诠释之间的冲突就能解决所有问题。他指出，我们有可能构建出一些怪异但在实验上可行的场景，在这些场景中，不同的观察者无法就结果达成一致。他认为，即使这些例外情况看起来是人为设计的，它们仍然表明，我们尚未找到真正行之有效的量子诠释。
尽管如此，祖瑞克方法的思路在我看来是正确的。与其试图编造复杂的理论来解决量子力学的测量问题，为什么不耐心细致地推敲标准量子力学对于量子对象的信息如何进入可观测世界的描述呢？量子力学的先驱们在100年前发起的革命中留下了许多未完成的工作，过早地封闭了这一议题（通常是通过坚持哥本哈根诠释或不容置疑地接受现状）。现在，我们至少可以期待完成这项任务。
资料来源 Quanta Magazine
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本文作者菲利普·鲍尔是英国著名科学作家