您的位置:首頁>正文

物理學的佯謬系列之薛定諤的貓和多世界詮釋(下)

在上一篇中, 我們提到了主流觀點的變化, 越來越多的接受了“多世界詮釋”。 “多世界詮釋”是量子力學中諸多詮釋中的一種, 它是惠勒的學生艾弗瑞特於1957年提出的, 由於它太離奇, 提出後物理學界的反應可以說是非常冷淡, 到了20世紀80年代才慢慢被部分人接受和重視。

在介紹“多世界詮釋”之前, 先講講這個艾弗瑞特, 他畢業于美國天主教大學化學工程專業。 在20世紀50年代, 跨專業到普林斯頓大學攻讀理論物理博士學位, 導師是著名的理論物理學家惠勒。 惠勒這個人也是牛的不行, 參加過曼哈頓計畫,

“黑洞”這個詞也是他提出的(有興趣的讀者可自行百度), 他是一個“膽大包天”的物理學家, 所以手下出現了許多天才和無畏的物理學家, 比如費曼、索恩、貝肯斯坦、邁斯勒、艾弗瑞特等等。 鼓勵學生提出看似瘋狂和推向極致的觀點。 艾弗瑞特在這種強烈的創新氛圍中開始了輝煌的研究。 經過對哥本哈根學派的正統詮釋作了充分的獨立思考後, 逐漸形成了自己的觀點, 認為波函數的塌縮是沒有必要的一種觀念, 可以通過他的多世界詮釋去掉。 下面簡單介紹一下什麼是多世界詮釋理論:

在波函數的疊加態沒有塌縮之前, 在處於疊加態的觀測者看來, 每一個態都可以看成是一些備選的平行世界。 以薛定諤的貓來說,

艾弗瑞特指出兩隻貓都是真實的。 有一隻活貓, 有一隻死貓, 但它們位於不同的世界中。 問題並不在於盒子中的放射性原子是否衰變, 而在於它既衰變又沒有衰變。 當我們向盒子裡看時, 整個世界分裂成它自己的兩個版本。 這兩個版本在其餘的各個方面都是全同的, 唯一的區別在於其中一個版本中, 原子衰變導致貓死了;另一版本中, 原子沒衰變, 貓活著。

也就是說, “原子衰變, 貓死了”和“原子沒衰變, 貓活著”這兩個世界將完全相互獨立平行的演變下去, 就想兩個平行的世界一樣。 這個理論聽著很科幻, 然而它卻基於無懈可擊的數學方程, 基於量子樸實的、自洽的、符合邏輯的結果。 這個詮釋的優點是:薛定諤方程始終成立,

波函數從不塌縮, 簡化了基本理論。 但是, 設想過於離奇, 代價是這些平行世界全都是同樣真實的。 有人說“在科學史上, 多世界詮釋是目前所提出的最大膽、最野心勃勃的理論。 ”

這是一個過分離奇的理論, 很不容易被科學界接受, 惠勒有一個通俗的比喻:想像你開車時遇到一個多岔路口。 1、根據經典物理學的觀點, 你選擇了一條路繼續開下去, 於是這個事件到此結束。 2、然而根據量子力學哥本哈根詮釋, 你可能會選擇多條岔路之一, 除非隨後有某一局外人“觀察者”看到你在加油站加油, 或者在一處餐廳吃飯休息, 否則人們必無法斷定你當時到底在哪條路上。 3、根據艾弗瑞特的理論, 你“的確”同時開上了多條岔路, 如果後來你在一條岔路上的加油站加油,

而且這時你被一個局外人看見了, 你自己也意識到正位於那個位置, 但是我們還是不能斷定在別的岔路上就不存在與你毫不相干的“另一個你”。

這正是艾弗瑞特多世界理論令人困惑之處, 但是好歹經過上面簡單的敘述, 大家知道了這個理論說的是啥, 至於相不相信那就是另外一回事兒了。 接受多世界理論是很難的, 因此艾弗瑞特遭到學術界冷漠的對待, 在獲得博士學位後離開了物理學界, 進入美國五角大樓成為武器系統評估小組的分析家, 其物理天分沒有貢獻給量子力學, 而是貢獻給了五角大樓, 後來又成為了一名商人發了大財, 這個就不多說了。 直到1968年, 惠勒的同事布萊斯·德威特(也是量子引力理論的主要奠基人)和他的學生格拉罕姆寫了一系列文章,

介紹了發展了多世界詮釋理論, 才使得艾弗瑞特的理論重見天日。 到了80年代, 物理學家們對多世界詮釋越來越重視, 使得艾弗瑞特有心重回物理學家, 對量子力學最基本的測量問題進行更深入的研究。 可惜的是由於抽煙太重, 與1982年因心臟病而英年早逝了。

儘管艾弗瑞特的多世界詮釋有非常吸引人的地方, 但也存在幾個問題。 首先, 如果這些分開的世界不能發生相互作用, 那麼沒有辦法能夠檢驗艾弗瑞特的說法。 其次, 測量的問題雖然解決了, 但是沒有帶來新的預言, 也不能檢驗, 因此這個理論不能令人滿意。 物理學家們也知道, 還有許多技術上的問題等待解決。但是正如格利賓所說的:

我們要麼不得不接受哥本哈根的詮釋,連同他那幽靈般的現實和半死半活的貓;要麼接受艾弗瑞特的多世界詮釋。當然,可以認為科學市場上的“最好傢伙”都是不正確的,這兩種選擇都是錯的。關於量子力學的現實,還有另一種解釋,它既能解決哥本哈根詮釋和多世界詮釋已經解決的所有問題······但是如果你認為這是一個輕鬆的選擇,一條容易走出困境的路,那麼你必須記住:任何這種“新的”解釋都必須能夠解釋自從普朗克在黑暗中取得突破以來的所有成就;在解釋萬物方面,它必須與目前這兩種理論一樣好,或者更好。的確,守株待兔的等待某人會對我們的問題提出一個好的答案,這不是科學的態度。在沒有更好的答案的情況下,我麼就不得不正視目前能得到的最好答案。

格利賓說的有道理,一直以來物理學家都是秉承這樣的觀點,因此很多物理學家開始對多世界詮釋越來越有興趣,並且抱有信心,其中包括著名的物理學家費曼、蓋爾曼、霍金等人。

多世界詮釋仍然有許多重大問題無法解決,其中最重要的是,如果我們這個宇宙真的存在著古怪的宏觀世界的疊加態,為什麼我們只能察覺到確定的經典世界,而其他許許多多疊加態卻無法感知呢?1970年德國海德伯大學的澤赫發表了一篇獨創性論文,給出了他對這個困難的一個答案。他證明,薛定諤方程本身就蘊含著某種形式的審查(即破壞疊加態)的功能,這一功能後來被稱為“退相干”,因為理想的原始疊加態稱為“相干態”。在隨後的數十年裡,洛斯·阿拉莫斯實驗室的物理學家朱瑞克以及其他研究人員極為詳盡的研究了退相干。他們發現,相干的疊加態只有在與世隔絕的情形下才能夠一直維持下去。也就是說,一個系統與測量儀器和外界環境相互作用後,就會發生退相干過程,從而使我們在現實生活中只能感受到彼此已經沒有相干性的經典世界,而不能感受到具有相干性的量子疊加態,它們已經退相干了。幾乎可以說,環境就是一個觀測者,它使波函數塌縮,與周圍環境的微弱的相互作用,迅速地使疊加態的奇特量子特性消失。

退相干說明了為什麼我們不能在周圍的世界中隨時看到量子疊加態。不能看到不是因為當物體的大小超過某一尺度後,量子力學本質上就不再起作用,而是因為像貓這樣大的宏觀物體,幾乎不可能做到與周圍世界完全隔絕從而防止退相干發生。相比之下,微觀物體比較容易與其周圍環境隔絕開來,因此就得以保持它們的量子行為。

由於發現了退相干,再加上量子的奇異特性得到了越來越精巧的實驗證實,物理學家們的觀點發生了顯著變化。但是,物理學家們對待多世界詮釋也不是都表示贊成,反對者仍不乏其人。還有許多離奇的理論不斷的被提出,我也不知道了,也就不再一一介紹了。不過量子力學確確實實帶來了好多先進的技術:比如量子密碼、量子資訊、量子通訊、量子電腦等等,甚至還出現了一門學科叫量子工程學。

另外我發現百度百家號有一個叫“努力七夜”的人未經我允許直接盜用了我的文章,不知道怎麼維權,希望網友們支支招。

還有許多技術上的問題等待解決。但是正如格利賓所說的:

我們要麼不得不接受哥本哈根的詮釋,連同他那幽靈般的現實和半死半活的貓;要麼接受艾弗瑞特的多世界詮釋。當然,可以認為科學市場上的“最好傢伙”都是不正確的,這兩種選擇都是錯的。關於量子力學的現實,還有另一種解釋,它既能解決哥本哈根詮釋和多世界詮釋已經解決的所有問題······但是如果你認為這是一個輕鬆的選擇,一條容易走出困境的路,那麼你必須記住:任何這種“新的”解釋都必須能夠解釋自從普朗克在黑暗中取得突破以來的所有成就;在解釋萬物方面,它必須與目前這兩種理論一樣好,或者更好。的確,守株待兔的等待某人會對我們的問題提出一個好的答案,這不是科學的態度。在沒有更好的答案的情況下,我麼就不得不正視目前能得到的最好答案。

格利賓說的有道理,一直以來物理學家都是秉承這樣的觀點,因此很多物理學家開始對多世界詮釋越來越有興趣,並且抱有信心,其中包括著名的物理學家費曼、蓋爾曼、霍金等人。

多世界詮釋仍然有許多重大問題無法解決,其中最重要的是,如果我們這個宇宙真的存在著古怪的宏觀世界的疊加態,為什麼我們只能察覺到確定的經典世界,而其他許許多多疊加態卻無法感知呢?1970年德國海德伯大學的澤赫發表了一篇獨創性論文,給出了他對這個困難的一個答案。他證明,薛定諤方程本身就蘊含著某種形式的審查(即破壞疊加態)的功能,這一功能後來被稱為“退相干”,因為理想的原始疊加態稱為“相干態”。在隨後的數十年裡,洛斯·阿拉莫斯實驗室的物理學家朱瑞克以及其他研究人員極為詳盡的研究了退相干。他們發現,相干的疊加態只有在與世隔絕的情形下才能夠一直維持下去。也就是說,一個系統與測量儀器和外界環境相互作用後,就會發生退相干過程,從而使我們在現實生活中只能感受到彼此已經沒有相干性的經典世界,而不能感受到具有相干性的量子疊加態,它們已經退相干了。幾乎可以說,環境就是一個觀測者,它使波函數塌縮,與周圍環境的微弱的相互作用,迅速地使疊加態的奇特量子特性消失。

退相干說明了為什麼我們不能在周圍的世界中隨時看到量子疊加態。不能看到不是因為當物體的大小超過某一尺度後,量子力學本質上就不再起作用,而是因為像貓這樣大的宏觀物體,幾乎不可能做到與周圍世界完全隔絕從而防止退相干發生。相比之下,微觀物體比較容易與其周圍環境隔絕開來,因此就得以保持它們的量子行為。

由於發現了退相干,再加上量子的奇異特性得到了越來越精巧的實驗證實,物理學家們的觀點發生了顯著變化。但是,物理學家們對待多世界詮釋也不是都表示贊成,反對者仍不乏其人。還有許多離奇的理論不斷的被提出,我也不知道了,也就不再一一介紹了。不過量子力學確確實實帶來了好多先進的技術:比如量子密碼、量子資訊、量子通訊、量子電腦等等,甚至還出現了一門學科叫量子工程學。

另外我發現百度百家號有一個叫“努力七夜”的人未經我允許直接盜用了我的文章,不知道怎麼維權,希望網友們支支招。

同類文章
Next Article
喜欢就按个赞吧!!!
点击关闭提示