大话量子力学

1、大话量子力学如果你认为量子物理是普适的真理 ,那你就应该相信有平行宇宙。图片说明：是否只有在科幻小说中我们才能生活在平行的世界里？如果一个原子可以同时出现在两个地方 ,那么你也能。几乎我所有的同事都知道它 ,但是却几乎没有人这正读过它。2019年为了庆祝其问世50周年 ,修埃弗雷特HughEverett博士论文的手稿被刊登在了新书?多重世界解释下的量子力学?中。我依然记得当我在伯克利研究生院后面的小书店里找到这本书的时候是多么的兴奋 ,一直到现在我都认为这是我读过的写得的最才华横溢的书之一。当埃弗雷特在普林斯顿师从约翰惠勒JohnWheeler开始他的研究生学习的时候 ,量子力学已经在解释原子

2、方面取得了令人晕眩的成功 ,但是隐藏在其数学表达式背后的真正意义还备受争议。当我在普林斯顿做博士后的时候 ,我有幸和惠勒一起讨论过量子力学 ,但是我却未曾有时机见到埃弗雷特。量子力学认为宇宙的状态不能用经典的位置和速度来描述 ,而是要用被称为“波函数的数学形式。按照薛定谔方程 ,波函数会以确定的方式随时间演化 ,这被数学家称为“唯一性。尽管量子力学总被认为具有内在的随机性和不确定性 ,但是波函数随时间的演化却不具有这些特点。真正棘手的问题是如何把波函数与我们的观测相衔接。许多合理的波函数对应的却是违反常理的情况 ,例如在同一时间既死又活处于叠加态的“薛定谔的猫。20世纪20年代 ,物理学家对此

3、的解释是 ,当有人去翻开箱子一窥这只猫的死活的时候 ,波函数就会随机“坍缩但会留下一个确定的非死即活的经典结果。虽然这样可以解释观测 ,但是却让量子力学显得不完整 ,因为量子力学在数学上没有指明观测是由什么组成的以及波函数何时会坍缩。埃弗雷特的理论陈述起来很简单 ,但是它的结果却是复杂的 ,包括由此产生的“平行宇宙。概括起来讲 ,埃弗雷特认为薛定谔方程在任何时候都成立。换句话说 ,宇宙的波函数永远不会坍缩。仅此而已 ,没有提及平行宇宙或者是分裂的多重世界 ,它们只是这个理论的推论而非前提。他卓越非凡的地方就在于 ,这样一个没有坍缩的量子理论仍然可以解释观测。但是他预言 ,描述宏观世界的波函数会

4、渐渐演化成一个描述多重世界叠加态的波函数 ,而观测者主观经历这一分裂得到的仅仅是有限的随机性 ,其概率和使用波函数坍缩方法计算的结果一致。获得认同重要的科学发现一般会经历三个阶段：一开始它们会被完全忽略 ,然后它们会猛烈地还击 ,最后那么会变得熟视无睹。埃弗雷特的理论也不例外 ,它花了10年的时间才开始受到重视。但是这对于让学术界觉醒的埃弗雷特来说已经太晚了。埃弗雷特无坍缩的理论目前还没有进入第三阶段 ,但是在20世纪70、80年代由于过于疯狂而被广泛无视之后 ,它现在渐渐获得了认同。在2019年一次量子理论会议的非正式投票中 ,尽管有许多物理学家对此不置可否 ,但是这一理论的得票要远高于其他

5、的想法。我相信向上的趋势是明显的。为什么会发生这样的变化呢？我认为有几个原因。来自宇宙学暴涨和弦理论对平行宇宙的预言增加了学术界对这一乖僻想法的包容性。同时新的实验显示即使在较大的系统中也会出现量子叠加态。最后 ,退相干过程的发现解答了埃弗雷特理论中存在的关键问题。例如 ,如果这些平行宇宙存在 ,为什么我们没有发觉到呢？毕竟量子叠加效应不会仅仅局限在微观世界中。同时 ,由于你也是由原子组成的 ,如果原子在叠加态中能同时出现在两个地方 ,那么你也应该可以。突破来自1970年迪特泽赫DieterZeh的一篇开创性论文 ,他证明薛定谔方程自身具有一种“审查机制。这一效应被称为“退相干 ,在此后的几十

6、年中沃奇克祖瑞克WojciechZurek、泽赫以及其他人对此进行了仔细的研究。只有在与外界不发生作用的情况下 ,量子叠加态才是可观测的。例如 ,一张量子扑克牌由于其不断地与空气分子、光子以及其他粒子发生碰撞 ,摧毁了其自身的叠加态进而变得无法观测 ,于是它要么正面朝上要么反面朝上。退相干同时也解释了宏观物体为什么具有如此特殊的状态。科学还是哲学？在量子物理中引入随机波函数坍缩是为了解释我们为什么能观测到的概率以及为什么宏观物体不具有叠加态。在埃弗雷特提出一切都是随机的以及退相干理论解释了为什么我们不曾经历叠加态之后 ,引入波函数坍缩就显得不是那么必要了。尽管在埃弗雷特的眼中波函数在技术上是永

7、不坍缩的 ,但是退相干造成的结果看上去却就像是发生了坍缩。我觉得现在是时候更新那些依然把波函数坍缩作为量子力学根本假设的教科书了。做为计算手段波函数坍缩依然具有它的使用价值 ,但是为了防止混淆学生们应该知道这也许并不是拓展薛定谔方程的根本方式。如果一本量子力学教科书的索引中没有出现“埃弗雷特和“退相干 ,那么我建议你还是另买一本更新的。50年后我们可以庆祝埃弗雷特的解释依然和观测相符 ,但是我们还必须面对另一个问题：它是科学还是哲学？其核心是平行宇宙自身并不是一个理论 ,而是某些理论的推论。对于一个可证伪的理论 ,我们不需要观测和检验它的每一个预言只要一个就够了。由于爱因斯坦的广义相对论成功地

8、预言了许多我们观测到的现象 ,因此即使我们无法观测我们也会认真对待它所给出其他结果 ,例如黑洞的内部结构。类似地 ,量子力学成功的预言也使得科学家们严肃地看待它的其他预言 ,包括平行宇宙。此外 ,通过未来的实验 ,埃弗雷特的理论也是可以证伪的。它认为 ,不管这个系统多大 ,你都不会观测到波函数的坍缩。确实 ,在含有许多原子的系统中已经观测到了不坍缩的叠加态 ,例如碳-60分子。一些小组正在尝试在含有10亿亿个甚至更多原子的系统中制造出量子叠加态 ,这些系统已经非常接近宏观系统。与此同时 ,全世界都在努力制造量子计算机 ,一旦成功它将可以以比普通计算机快指数式的速度来分解自然数 ,这相当于在埃弗

9、雷特的平行宇宙中实施并行计算。鸟的视野因此埃弗雷特的理论是可检验的 ,而且到目前为止和观测相符。但是你真的应该相信它吗？当我思考自然界的最终属性的时候 ,我发现从两个角度来考察一个物理理论非常有用。一个是以研究其数学结构的物理学家的外部眼光来看 ,另一个那么是用一个身处其数学所描述的世界中的观测者的内部视角来审视。前者好似是一只飞翔于高处的鸟儿可以纵览全局 ,后者那么像是被这之鸟看到的青蛙。从鸟的视野来看 ,埃弗雷特的宇宙是简单的。那里只有一个波函数 ,它随着时间平滑而确定的演化 ,不存在分裂与平行。由这个波函数描述的抽象量子世界包含了大量的经典平行宇宙 ,它们不断地分裂、合并 ,同时其中也包

10、含了大量缺乏经典描述的量子现象。从青蛙的角度来看 ,观测者看到的仅仅是所有物理实在的一小局部 ,它们把经典世界的分裂当成了量子世界的不确定性。那么青蛙的视角和鸟的视野哪个更根本？换句话说 ,对于你而言哪个更根本：人类的语言还是数学的语言？如果你选择前者 ,那么你可能会青睐于量子力学的“多重世界解释 ,而量子力学为了使得波函数坍缩并且消除多重宇宙牺牲了其数学上的简单性。但是如果你倾向于一个简单而纯粹的数学理论 ,那么你和我一样会在多重世界解释上遇到麻烦。一般而言 ,要建立一个能预言所有可观测现象的数学理论是极为困难的 ,量子理论也不例外。此外 ,由于演化所赋予我们的直觉仅仅来自我们的祖先对生存所必需的物理现象的认识 ,例如石头飞行的轨迹 ,因此我们觉得量子力学是违反直觉的。你可以做出选择。但是我担忧 ,如果我们由于它看上去乖僻而无视埃弗雷特的理论 ,那么我们就有可能失去把我们的视野拓展到地平线以外的时机。20世纪20年代沙普利和柯蒂斯关于是否存在大量星系当时的平行