在原子和亚原子尺度上，物体的行为方式挑战了基于与宏观现实的日常互动的经典世界观。一个熟悉的例子是发现电子可以同时表现为粒子和波，这取决于它们被观察到的实验环境。解释这个和其他现象,出现违背物理定律继承之前的几个世纪,模型,提出了自洽,但矛盾的解释等科学家路易德布罗意(1892 - 1987),尼尔斯·波尔(1885 - 1962),欧文薛定谔(1887 - 1961)和大卫•玻姆(1917 - 1992)等等。

然而，伴随量子理论的形成而来的巨大争论，特别是涉及爱因斯坦和玻尔的争论，并没有导致结论性的结果。大多数的下一代物理学家选择了从相互冲突的理论框架中推导出来的方程，而没有过多地担心潜在的哲学概念。这些方程“有效”，显然这就足够了。各种现在看来微不足道的技术产物都是基于量子理论的实际应用。

质疑一切是人类的本性，后来出现的一个关键问题是，为什么在量子实验中观察到的奇怪的、甚至违反直觉的行为没有在宏观世界中表现出来。为了回答或绕开这个问题，波兰物理学家Wojciech Zurek提出了“量子达尔文主义”的概念。

简单地说，这个假设是，物理系统和环境之间的相互作用选择了某些行为，排除了其他行为，而这种“自然选择”所保留的行为正是那些符合经典描述的行为。

例如，当某人阅读文本时，他们的眼睛接收到的光子与他们的电脑或智能手机屏幕交互。另一个人，从不同的角度，会收到不同的光子，但是，尽管屏幕上的粒子以它们自己奇怪的方式活动，可能产生完全不同的图像，但与环境的相互作用只会选择一种行为，排除其他行为，所以这两种阅读方式最终都读到了同一篇文章。

在巴西物理学家Roberto Baldijão发表在量子科学和相关领域开放获取的同行评议期刊《Quantum》上的一篇论文中，这条理论研究路线已经向前推进，具有更大的抽象化和泛化程度。

该论文报告了Baldijão博士研究的一部分，由巴西坎皮纳斯大学(IMECC-UUNICAMP)数学、统计和科学计算研究所教授马塞洛·泰拉·库尼亚(Marcelo Terra Cunha)指导。

这篇论文的共同作者包括Markus Müller，他指导Baldijão在维也纳的奥地利科学院量子光学和量子信息研究所(IQOQI)的研究实习。

“量子达尔文主义被提出作为一种机制来获得我们从固有的量子系统中习惯的经典客观性。在我们的研究中，我们调查了在这种机制存在背后可能存在的物理原理，”Baldijão说。

在进行研究时，他采用了一种被称为广义概率理论(GPTs)的形式主义。“这种形式主义使我们能够对不同的物理理论进行数学描述，从而对它们进行比较。它也使我们能够理解哪些理论遵循某些物理原理。量子理论和经典理论是GPTs的两个例子，但许多其他的也可以描述，”他说。

根据Baldijão的说法，使用GPTs很方便，因为它使我们能够得到有效的结果，即使量子理论在某一点上不得不放弃。此外，该框架提供了更好的理解量子形式主义与它不是什么。例如，它可以被用来从更简单的物理原理推导出量子理论，而不需要从零开始假设这个理论。“基于GPTs的形式主义，我们可以发现哪些原理允许‘达尔文主义’的存在，而不需要诉诸量子理论，”他说。

Baldijão在他的理论研究中得出的一个矛盾的结果是，经典理论只有在具有某些非经典特征的理论中，如果它们涉及“纠缠”，才会通过“自然选择”出现。

“令人惊讶的是，达尔文主义的经典行为的表现依赖于一个明显的非经典性质，如纠缠，”他说。

量子纠缠是量子理论中的一个关键概念，当粒子被创造或相互作用时，每个粒子的量子状态不能独立于其他粒子描述，而是依赖于整个集合。

关于纠缠的最著名的例子是被称为EPR (Einstein-Podolsky-Rosen)的思想实验。需要若干段落来解释它。在这个实验的一个简化版本中，玻姆想象了这样一种情况:两个电子相互作用，然后被一个任意大的距离隔开，比如地球和月球之间的距离。如果测量一个电子的自旋，它可以是向上或向下自旋，两者的概率相同。经过测量后，电子自旋总是指向上或下，而不是介于两者之间的某个角度。然而，由于它们相互作用的方式，电子必须成对，这意味着它们的自旋和轨道方向相反，无论测量的方向是什么。两者中哪一个自旋向上或自旋向下尚不清楚，但由于它们的纠缠，结果总是相反的。

这个实验被认为表明量子理论的形式是不完整的，因为纠缠假设信息在两个粒子之间以无限的速度传播，而根据相对论，这是不可能的。遥远的粒子如何“知道”旋转的方向，从而产生相反的结果?这个想法是，隐藏的变量在量子场景背后局部起作用，如果这些变量被一个更全面的理论考虑，古典世界观就会被证明是正确的。

爱因斯坦于1955年去世。近十年后，他的观点或多或少被约翰·贝尔(John Bell, 1928-1990)驳可，贝尔提出了一个定理，证明粒子具有独立于观测过程的确定值的假设与量子理论是不相容的，就像不可能在远处进行直接通信一样。换句话说，描述纠缠的非定域性不是一个缺陷，而是量子理论的一个关键特征。

不管它的理论解释是什么，纠缠的实际存在已经在此后进行的几个实验中得到了证明。保持纠缠态是目前量子计算发展的主要挑战，因为如果量子系统与环境相互作用，它们往往会迅速失去相干性。这就把我们带回到量子达尔文主义。

“在我们的研究中，我们表明如果GPT显示出消相干，这是因为在理论中有一种转变，能够实现我们所考虑的理想化的达尔文主义过程，”Baldijão说。类似地，如果一个理论有足够的结构来允许可逆计算——可以撤销的计算——那么也有一种转换能够实现达尔文主义。考虑到GPTs的计算应用，这是最有趣的。”

作为这项研究的补充成果，作者提供了一个“非量子达尔文主义”的例子，其形式是对斯毕肯斯玩具模型的扩展。斯毕肯斯是加拿大物理学家罗伯特·斯毕肯斯(Robert Spekkens)于2004年提出的一种理论，他目前是安大略省滑铁卢圆周理论物理研究所的高级研究员。该模型在经典概念的基础上再现了多种形式的量子行为，对量子物理基础的深入研究具有重要意义。

“该模型没有表现出任何非定域性，也不能违反任何贝尔不等式，”Baldijão说。“我们证明，它可能表现出达尔文主义，这个例子也表明，我们发现的保证达尔文主义存在的条件——退相干或可逆计算——是GPTs中这个过程发生的充分条件，但不是必要条件。”

作为FAPESP资助的项目的首席研究员，库尼亚说:“量子理论可以被认为是概率论的一般化，但它远不是唯一可能的。在我们的研究领域的最大挑战包括理解在这个可能的理论海洋中区分经典理论和量子理论的属性。Baldijão的博士论文开始解释量子达尔文主义如何能够消除量子理论中最明显的非经典特征之一:情境性，它包含了纠缠的概念。

在他在维也纳的Markus Müller的小组进行研究实习期间，Baldijão研究了一些更一般的东西:一般概率理论中的达尔文主义过程。他的发现帮助我们更好地理解某些类型理论的动力学，因为达尔文主义只保留了最适者，因此创造了一个经典的世界，这不是一个完全量子过程。”

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纠缠是现实不可避免的特征

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更多信息:
罗伯特·d·巴尔迪乔等人，量子达尔文主义和经典信息在非经典理论中的传播， 量子(2022)。DOI: 10.22331 / q - 2022 - 01 - 31 - 636

乔纳森·巴雷特，广义概率理论中的信息处理，《物理评论》(2007)。DOI: 10.1103 / PhysRevA.75.032304

引用:研究指出了量子达尔文主义(2022年，4月27日)的物理原理，该原理于2022年4月27日从https://phys.org/news/2022-04-physical-principles-underlie-quantum-darwinism.html检索

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