av12av在线日本18岁 _量子平行宇宙:如此严肃的科学理论,你却认为只是个科幻噱头?

往期回顾

平行宇宙:科幻还是科学?(一):从影子说起

平行宇宙:科幻还是科学?(二):粒子与波

平行宇宙:科幻还是科学?(三):双缝实验

平行宇宙:科幻还是科学?(四):波粒二象性

平行宇宙:科幻还是科学?(五):哥本哈根

平行宇宙:科幻还是科学?(六):怎么也测不准?不确定性原理

平行宇宙:科幻还是科学?(七):真实还是虚幻?概率波

平行宇宙:科幻还是科学?(八):横看成岭侧成峰——互补原理

番外篇:量子力学名人堂

平行宇宙:科幻还是科学?(九):开启平行宇宙之门

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警告:本文极度烧脑,前方全程高能。不适者请在中途适时退出。


量子平行宇宙:如此严肃的科学理论,你却认为只是个科幻噱头?


平行宇宙的理论是如此魔幻而玄妙,连最具有想象力的小朋友也不由得深深陷入困惑。是的,哥本哈根对于坍缩这个过程没有给出很让人满意的解释,所以平行宇宙一上来就说,根本不是坍缩,而是世界分裂了。这样貌似能够很好的绕过了坍缩这个难以理解的过程,但是这样真的好吗?

为了一个小小的电子,从左边过去还是右边过去,要牵涉到整个宇宙分裂来配合,会不会太小题大做?坍缩是难以理解,但平行宇宙就好理解了吗?最多也就是半斤八两,说不定还更得不偿失呢,因为代价太大了:无数多个时刻生成无数多个宇宙,还有无数多个你和我的拷贝,存在却又永远无法知道。


量子平行宇宙:如此严肃的科学理论,你却认为只是个科幻噱头?

奥卡姆剃刀:如无必要,勿增实体


存在却又永远无法知道。

- 小朋友,我这里有一件漂亮的新衣服,但它是一件隐形的、看不到的衣服。

- 那我能摸到吗?

- 摸不到的。

- 那我用水泼呢?

- 它会透过水。

- 那我用火烧呢?

- 也烧不到的。

- 那我用显微镜观察呢?

- 它也观察不到。

- 用热成像仪、X射线、核磁共振观察呢?

- 都观察不到的。总之,这件新衣服,无论用什么手段,都观察不到。

- 那……这跟完全没有这件衣服,有什么区别呢?

存在却又永远无法知道——那跟没有又有什么区别呢


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皇帝的新衣


------------回到幼儿园情节的分隔线------------

听完清洁阿姨对平行宇宙扣人心弦的介绍之后,小朋友似懂非懂地眨了眨眼睛:“我好像懂了,又好像不懂。我大概能跟上它的思路;但我的问题是,这天方夜谭似的描述,真的属于一种科学解释吗?”

“这里面有一点误解,美丽的误解。”一个沉厚的男声响起。小朋友转身一看,是黑脸保安叔叔。

“很高兴你这么小年纪就有科学思维。平行世界理论——我们以后叫多世界诠释吧——是一个科学的解释。前面所说的那种有点荒诞的描述不完全是它的原意。但很显然地,这种说法很迎合大众的猎奇口味,同时也能想象的到,它会非常地受科幻作家的欢迎。因此流传广泛。

量子平行宇宙:如此严肃的科学理论,你却认为只是个科幻噱头?

多世界诠释开宗明义地就说:一个孤立系统,将会严格地、连续地按照它的波函数演化下去。这里说到的波函数就是薛定谔方程

其实,多世界诠释才不是什么天马行空的臆想呢。相反地,它是严格使用数学工具遵循量子力学体系推断出来的科学的、严谨的结论。


量子平行宇宙:如此严肃的科学理论,你却认为只是个科幻噱头?

薛定谔方程是描述微观粒子的状态如何随时间演化的微分方程。若给定了初始条件和边界的条件,就可以解出波函数

回想一下我们在第七篇概率波里头讲晃动绳子的公式,那就是一个波函数(链接:平行宇宙:科幻还是科学?(七):真实还是虚幻?概率波)。它就是以数学的形式描述绳子上的质点是如何随着时间变化的。所谓随着时间变化,意思就是说指定一个时间,无论是在过去或者将来,都可以根据这个公式来算出绳子上指定的某一点,它那时的状态如何:是向上运动还是向下运动,运动到多远的地方。


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同样地,薛定谔方程也是做这个事情,只不过它的波函数输出是一个概率罢了。


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薛定谔方程


多世界诠释说的就是:无论是一个电子,还是我们在观察这个电子时引入了的仪器,还有我们观察者本身,这么一大堆粒子所组成的一个系统,理论上都应该遵循、而且能通过薛定谔方程来算出系统如何演化。最后计算得到的结果就是粒子通过了左缝还是右缝,测试仪器是左边的响还是右边响,然后再加上观察者的脑袋反应出来的,电子通过左边或者通过右边的这个感知。


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这里边还得稍稍严格一点:这件事情还必须包括整个实验室,整座城市,整个地球,太阳等等这个宇宙上的一切粒子。为什么呢?别忘了,多世界诠释开宗明义地就说,一个孤立系统。这是一个重要而又容易被忽略的前提。所谓孤立系统,就是跟外界没有发生物质或能量交换的系统。哪里才有这样的一个系统?只有宇宙本身。别的都不算孤立系统,都不满足孤立系统的条件。所以量子过程必须考虑整个宇宙的所有粒子是如何同时演化的。事情稍微变得复杂了些,不过还好,跟原来的区别也不会太大。这是因为尽管引入整个宇宙,但大部分的粒子都是无关的、打酱油的。对演化过程有关键影响的,其实还是实验室里面的那么一小撮粒子。

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大自然不是孤立系统

这就是真正的多世界诠释了。它是循规蹈矩地以量子理论为基础,通过数学计算得出的结果。没有什么异想天开的东西。

反倒是哥本哈根学派的坍缩解释才奇怪。一个系统的粒子按照薛定谔方程来演化,是不能够得到啪的一声,坍缩成了一个点的这样一个结果的。

量子平行宇宙:如此严肃的科学理论,你却认为只是个科幻噱头?

那多世界诠释为啥跟世界分裂扯上联系,是不是貌似也能理解了。

科学家描述世界需要用到两种描述语言。一种叫做数学描述,一种叫做物理描述。使用数学语言精确无歧义地描述一个理论以及其演化过程就是数学描述。而物理描述则是把抽象的数学公式翻译成日常语言。它解释理论中的数学符号对应的现实本质。

比方说小朋友跑步,就可以用s=vt这样的一个公式来描述。这就是数学描述。而用物理描述,s就是小朋友跑过的距离,v就是他的速度,t是他跑了的时间。

量子平行宇宙:如此严肃的科学理论,你却认为只是个科幻噱头?

同样地,对于大量粒子的系统的演化过程,在数学上用薛定谔方程来描述。但因为量子力学的复杂性与怪诞性,如果用物理描述,它就变成了世界分裂、平行宇宙的样子。

在牛顿时代,像s=vt,F=ma等,数学与物理两种描述基本上是相同的。它们是很直观、很朴素的对应关系。但到了量子力学,它研究的对象已经远远超出了人类的直接感受范围。它公式中的数学符号,与我们日常感知的事物已经很难对得上。因此两种描述会变得完全不同。

量子平行宇宙:如此严肃的科学理论,你却认为只是个科幻噱头?

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在我们生活的三维空间,一个点可以用(x,y,z)来表示,分别代表它在三个独立维度上的坐标。如果考虑点的运动,还需要一组数字(m,n,p)来表示它的动量,对应它在三个维度上的分量。因此描述一个粒子就需要(x,y,z)和(m,n,p)两组坐标。

量子平行宇宙:如此严肃的科学理论,你却认为只是个科幻噱头?

想象一下四维空间(注意不是四维时空):除了前后、左右、上下三个独立的方向之外,还有一个独立的方向。能想象出来吗?恐怕有难度。不过,在数学上表示四维空间却很容易:(x,y,z,m)。这样就是四维空间中的一个点。多加一个字母而已。

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同理,五维空间就是(x,y,z,m,n),六维空间就是(x,y,z,m,n,p)。

在三维空间中描述一个点的运动,我们可以把两组坐标合在一起变成一个,就是(x,y,z,m,n,p)。这样一个粒子就可以用六维空间的一个点来表示。

如果一个系统有2个粒子,每个粒子由六维空间中的一个坐标来表示,则需要两个这样的坐标,一共12个数。同样地,我们把12个数合起来表示它们。因此描述这个两粒子系统可以用12维空间的一个点来表示。

量子平行宇宙:如此严肃的科学理论,你却认为只是个科幻噱头?

这样做的意义在于,任何时候,描述一个点的运动,总要比描述N个点的运动要方便得多,哪怕这一个点所在的空间维度要高得多。

对于一个系统——一滴水、一棵树或者一个人——有极其庞大数量的粒子,比放说是N个吧,则可以通过6N维空间的一个点来描述。当然这个6N维度,肯定是非常高。一个电子,加上测试仪器,加上观察者,这样的一个系统粒子数目大概是10^27个。可以想象,多高维度的一个点才能描述这样一个系统。

正如前面所言,真正的孤立系统只有一个:宇宙本身。宇宙本身也是可以由一个波函数来描述的。宇宙包含非常多的粒子,因此要描述宇宙的波函数,它的维度空间一定非常非常的高,高到难以想象。

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高维空间

正如一个电子是通过左缝和通过右缝两种状态的叠加,猫是生和死的两种状态的叠加一样,这个浩大无比的宇宙波函数,也是有许许多多的子部分所组成的叠加。这些子部分互不干涉,互相正交。它们每一个都对应于波动方程的一个解。而从它们的角度上感知的宇宙,正是宇宙总体波函数在它们所在的空间上的投影

量子平行宇宙:如此严肃的科学理论,你却认为只是个科幻噱头?

投影

(图注:设想一类生活在二维空间的二维人。当他们以一种方式观察的时候得到圆形,以另一种方式观察的时候得到方形的时候,他们相当不理解:怎么那么诡异?一个东西既是圆的,又是方的?他们的科学很有可能发展出这样一套结论:圆方二象性。这跟波粒二象性何其相像!低维度解释不了的事情,放高维度看可能有启发。)

一个电子的维度较低,因此可以感知不同世界的干涉。但由电子连带观察仪器,观察者本身甚至还有整个世界来构成的系统的波函数的维度就要高得多。如此高的维度使得它跟其他空间互相垂直,在其他空间没有投影,感觉就像是“执行了观察行为之后世界分裂了而且分裂了的平行世界互相无法感知”。换一种说法,如果一个概率波的范围影响不到另外一个概率波且反之亦然的话,那每个波都认为其他波已经消失了。这就是所谓的退相干(Decoherence)。

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退相干

多世界诠释在量子理论中众多的诠释中还是比较受欢迎的。因为它虽然看上去好像有点荒诞不经,但正如我们前面描述,它本质上是严格、决定、连续地按照波函数的方式演化的理论。比起其他解释,它反而回归到科学家们比较喜欢的传统的决定论式的方式上来。

在一些不定期的科学界的随机调查中,多世界诠释的支持者越来越多。有报道说它是目前最受欢迎的量子力学的解释。研究弦论、宇宙学等领域的科学家会比较偏爱于它。诚然,必须要认识到它还有很多待商榷的地方。因此也有不少人对这个理论完全不感冒,甚至持明确反对意见。这个如此脑洞大开、特立独行、另辟蹊径的理论,大概就像一位极具个性的网红,有多少人喜欢,就有多少人不喜欢。

量子平行宇宙:如此严肃的科学理论,你却认为只是个科幻噱头?

不过,请别忘了,我们还有众多关于量子现象的科学解释(链接:平行宇宙:科幻还是科学?(九):开启平行宇宙之门)。只是这些解释各有所长,也各自或多或少地存在一些不足。目前还没有哪个完全被所有人认可。

科学家对于理解量子现象的本质目前采取的策略是:置诸不理。既然量子现象是如此的难以理解,那我们就先暂时不理解。虽说量子力学奥义还有待揭开,但是就它本身而言却是一套完整的科学理论,有非常完备的数学基础和实验支撑。虽然我们不知道它的本质是什么,但是它对实验结果的预言却是史无前例地精确。所以我们就不去管它是个what,我们知道how去使用它就行。

量子平行宇宙:如此严肃的科学理论,你却认为只是个科幻噱头?

费曼:量子本质?Shut up and calculate! —— 闭上嘴,只管算就好

那么,量子力学有什么用?据说现代经济中基于量子理论的产品总值已经占全球经济总量的三分之一。我随便举些例子:电脑、手机、电视机、数码相机以及所有以半导体、集成电路为基础的电子产品;X光机,核磁共振等医疗器械;激光、LED、闪存、硬盘、原子钟、GPS、太阳能电池、荧光材料、纳米技术、以及将来的量子计算机、量子通信等等等等。或许你会惊讶于量子理论原来是如此地贴近我们的生活。其实也不奇怪,量子力学是研究物质基本构成的理论,一切存在以此为基础,要是说它毫无用处,那才值得奇怪。“

量子平行宇宙:如此严肃的科学理论,你却认为只是个科幻噱头?

基于量子理论的产品总值占全球经济总量的三分之一


黑脸保安叔叔终于说完了。

还在小朋友出神之际,他转身离开了。

小朋友突然似乎想起了什么,在身后大声问:“叔叔,你到底是谁?”

他没有回头:“休·埃弗雷特。”

“那清洁阿姨呢?”

他笑着回头了,却是清洁阿姨的面容:“I am Hugh Everett too, in another parallel universe.”


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玻尔:如果你没有被量子力学深深震撼到,那说明你还没有明白它。

If quantum mechanics hasn't profoundly shocked you, you haven't understood it yet.

Niels Bohr


费曼:如果一个人说他完全懂得了量子力学,那他其实还没懂。

If you think you understand quantum mechanics, you don't understand quantum mechanics.

Richard Feynman


埃弗雷特:多世界诠释是唯一一个能融会统一地解释量子力学和宏观世界的方法。

The Many-worlds interpretation is the only completely coherent approach to explaining both the contents of quantum mechanics and the appearance of the world.

Hugh Everett III


量子平行宇宙:如此严肃的科学理论,你却认为只是个科幻噱头?

休·埃弗雷特三世(1930-1982),美国物理学家,平行宇宙的祖师爷,多世界诠释的提出者


------------回到现实的分隔线------------


好了,好了,好了。

关于平行宇宙理论,我已经没法说再多了。要去真正弄懂它,可能要和态矢量、希尔伯特空间等深奥概念和各种数学工具打交道。或许要等你们十几年后上了大学,就会接触到。也许到了那个时候,会有更多的关于量子力学的解释。也许到时候已经不再需要解释,人类已经解开量子的全部奥秘。


量子平行宇宙:如此严肃的科学理论,你却认为只是个科幻噱头?


小朋友们吱吱喳喳地嚷起来了。

“要十几年后才上大学?这么久,不可能。“

”我妈给我设定的目标是中咳大少年班!”

“我爸给我设定的目标是门萨俱乐部最年轻会员!”

“我现在每天学10个英文单词,以后科技前沿,尽在掌握!”

“嗤,我每个月读5本英语书,现在外语书籍阅读量已经是150本!”

“我250!”

“……”

------------ 最后的分隔线 ------------


可能由于这一篇故事过于冗长,听故事的孩子们不知在什么时候已经睡着了。故事里边小朋友的喧嚣,他们是听不见的了。夜已深,窗外高高挂着一轮明月。爱因斯坦的那个疑问言犹在耳:难道我不看月亮,月亮就会弥漫在宇宙中吗?

你说呢?


量子平行宇宙:如此严肃的科学理论,你却认为只是个科幻噱头?



(本系列完)

由于作者水平有限,错漏在所难免。敬请海涵,不吝指正。



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