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无需坍缩,量子永生---量子论多世界解释

所谓的正统解释是带双引号的,事实上这种正统只是因为它是第一个出现的对量子论物理涵义的解释,同时它得到了开派宗师玻尔、海森堡、波恩、泡利等大神的支持,使得人们较早地习惯了它的思维方式,同时它的理论预测与实验很好的相符,所以最初得到了较多科学家选择并写进了教科书。

哥本哈根学派灵魂:玻尔与海森堡

回顾哥本哈根解释的核心要点

事实上,对哥本哈根解释的质疑从未停歇,随着大神们的相继去世,对其不满意的科学家越来越多。现在我们回顾一下哥本哈根解释的核心要点:

1、量子不是客观实在。

2、其量子态用概率波函数描述。

3、经典仪器测量(观察)后波函数坍缩。

回顾哥本哈根解释的致命缺陷

这里面一直存在哥本哈根派选择回避不谈的致命伤:为什么观察导致波函数坍缩、观察怎样导致波函数坍缩、海森堡所谓的经典量子边界到底是什么。海森堡边界的存在被现代的科学实验一步步地在越来越大的系统中观察到了量子特性(例如2013年,一个双缝实验成功演示出含有810个原子、质量约为10000amu的分子也具有波动性)而一遍遍地被否认;而冯诺依曼指出观察者和测量仪器本身也是微观粒子构成的,其本身也必然会随着被观察对象进入叠加量子态,从而计算推导出了是意识造成波函数坍缩这种带有强烈唯心色彩的观点

多世界解释的诞生

为了绕开所谓的“坍缩”和“观察者”,为了避开唯心的“意识”,为了回到经典决定论,1954年从小崇拜爱因斯坦的埃弗莱特在爱因斯坦所在的美国普利斯顿大学完成了他的两篇论文,量子论多世界解释诞生了。

埃弗莱特的多世界

多世界解释的内容

在多世界解释中,埃弗莱特将我们的宇宙本身看做一个孤立的系统,孤立系统必定严格按照薛定谔方程演化。所谓孤立系统指的是与外界完全隔绝的系统,既没有能量也没有物质交流,这是个理想状态,在现实中很难做到,所以几乎是不可能的。但有一样东西例外——我们的宇宙本身!因为宇宙本身包含了一切,所以也就无所谓“外界”,把宇宙定义为一个孤立的包含了n个粒子的超大系统,我们把这个整个宇宙的状态用一个态矢量来表示,来描述宇宙波函数的演化。虽然整个宇宙只有一个波函数,但这个极为复杂的波函数却包含了许许多多互不干涉的“子世界”。宇宙的整体态矢量实际上是许许多多子矢量的叠加和,每一个子矢量都是在某个“子世界”中的投影,代表了薛定谔方程一个可能的解,但这些“维度”极高的“子世界”却都是互相垂直正交,彼此不能干涉的!我们的所感知的世界就是这个宇宙态矢量在一个子世界的投影。

多世界解释

多个子世界的宇宙

多世界解释对双缝干涉实验的诠释

1.没有坍缩,“分裂”子世界

让我们使用多世界解释来重新认识双缝实验:电子从来没有发生过哥本哈根解释里的”坍缩”,它一直都严格的按照薛定谔方程演化着,同时出现在左和右缝。当我们观察它通过了左还是右缝时,并不是哥本哈根解释的观察导致电子的波函数坍缩,而是我们和世界本身进入了叠加状态。当我们观察电子穿过双缝后,整个世界,包括我们本身“分裂”成为了两个独立的叠加,在每一个子世界里,电子以非左即右一种可能出现。这里“分裂”这个词来源于埃弗莱特本人的论文,但其实际本意并非至今大多数人们所仍然误解的那种宇宙实体的分裂,多世界解释本意是说宇宙本身态矢量按波函数演化,但不同子矢量投影到不同的“子世界”。

神奇的双缝干涉

2.高维子世界退相干

再次回到双缝实验,当我们只考虑电子本身的态矢量,涉及的变量很少,单纯描述电子行为的“世界”就是一个较低维的空间。通过双缝时,必定存在着两个“子世界”: “左世界”和“右世界”(这两个“世界”只有电子本身,没有其他),宇宙态矢量分别在这两个世界上投影为“通过左缝”和“通过右缝”两个量子态。但因为这两个世界维数较低,所以它们互相并不是完全垂直的,每个世界都还能清晰地“感觉”到另外一个世界的投影。这两个低维世界仍然彼此“相干”着,因此电子能够同时感觉到双缝而自我干涉。而当我们通过仪器而观测到电子究竟是通过了左还是右之后,为了描述“我们发现了电子通过左”这个态 ,我们就要处于一个比只有一个电子的“左世界”大的多的多的“世界”,叫做“我们感知到电子在左”世界,或者简称“知左世界”。由于“知左世界”动用了我们本身和测量仪器加上电子,粒子数比刚才的“左世界”单独一个电子多的多,于是“知左世界”的维度就比“左世界”高出了太多太多,这样高维的“知左世界”和“知右世界”,就几乎肯定互相垂直了,无法互相干涉,意味着我们无法感知到另一个世界。(这里的“维度”也仅指数学意义上的维度,与真实时空维度无关。可以这样理解,在一个二维空间中随便画两条线,其互相垂直的概率并不大,互相之间可以有观察投影;但在很高维的空间中,随便画两条线或面,其相互垂直的概率就几乎是一定的了,相互之间无法产生观察投影。)当量子态叠加被宏观事物放大,我们用于描述该态的“世界”的维数也就迅速增加,这导致了原本相干的两个投影变成基本垂直而互不干涉,这个过程也叫做 “退相干”。

3.多世界解释的优势。

双缝实验中哥本哈根解释那烦人的坍缩没有了,取而代之的是多世界解释中的两个互不干涉的“世界”,根据奥卡姆剃刀原理,另一个我们无法感知的世界对我们而言等同于没有这个世界。哥本哈根那说不清道不明的经典量子边界也没有了,取代代之的是可以计算的宏观物体的退相干作用。

多世界解释对薛定谔猫实验的诠释

继续推广,对于薛定谔猫,哥本哈根解释认为原子处于衰变与否的叠加态,猫也处于生与死的叠加态,只有观察后波函数坍缩,才能得到猫生或者死的状态。而多世界解释认为,原子处于衰变与否的叠加态,即原子衰变和原子未衰变两个世界互相干涉,但加入猫后的更大世界则不同,猫生世界和猫死世界相互垂直,无法干涉。也就是宇宙“分裂”出两个世界,在猫生世界中的猫一直活着,不存在死活叠加,而在猫死世界中的猫在“分裂”的那一刻就已经死了,一样不存在死活叠加。

死猫或活猫多世界

多世界解释对比哥本哈根解释的假设更少

听起来确实不错,多世界解释中宇宙演化不在需要引入“观察者”这种超然的假定,更不需要加入虚无的意识导致波函数坍缩,更重要的是多世界解释恢复了科学家梦寐以求的决定论,换句话说上帝终于不掷骰子了,随机性不过是因为我们纠缠于红尘之中,使我们只能感受到一个世界的投影,对于别的不同的世界一无所知而已。

多世界解释推导出了“量子永生”

那么多世界解释就是那个完美的答案了吗?当然不是,和哥本哈根解释类似,我们继续顺着思路推导。我们把薛定谔猫实验中的猫换成一个人,按照多世界解释,随着原子衰变宇宙分裂出两个子世界“人死世界”和“人活世界”,“人死世界”中人被毒死了,而另一个“人活世界”中人还活着;时间继续,实验继续,“人活世界”中又分裂出两个子世界,“人活再死世界”和“人活再活世界”;“人活再活世界”继续分裂出“人活再活再死世界”和“人活再活再活世界”。。。。。。我们可以无穷次的推导下去,按照多世界解释,我们一定会得到一个永远不发生毒死人的世界,只不过这个世界与其他世界不能发生任何信息交流而已。事实上,如果按照多世界解释推导,一个人永远无法真正杀死自己,因为无论是枪击、刀刺还是卧轨,都是在使用量子构成的物理工具,那么总会有一个几率极低的世界让他仍然活着,虽然其他无数个世界中他已经死了,但只要这个世界中的他还活着,别的世界他就感受不到也就与他无关。就算是衰老,也总会有一个“平行世界”中的量子效应造成他不会衰老而死亡,这就是多世界解释推导出的恐怖悖论---“量子永生”。而现实中我们当然从没有看到一个永生的人,这可以解释为我们所处的世界并不是那个恰好的几率极低极低的虽然一定会存在的世界。

无法完成的量子自杀

好吧,再继续下去又只能是形而上的哲学思辨了。为了规避意识造成坍缩这种有些唯心的说法,我们得到的却是“量子永生”这种同样不可思议的结论,这并不见得高明了多少。时间到了1999年,在剑桥牛顿研究所举行的一次量子计算会议上,又作了一次量子论解释的调查,这次支持哥本哈根的只剩下了4票,自发定域4票,隐变量2票,而多世界解释和多历史退相干加起来得到了30票,不过最令人吃惊的是选择“尚未做出抉择”的有50票之多。

这么多量子论的解释到底哪个是正确的,又或者他们难道全部都是错的。100多年后的今天,量子论及其进展广泛应用于我们科技生活的方方面面,但我们居然仍在为如何解释它而苦恼,也许真的还是只有那句话:“我想我可以有把握地说,没有人真正理解量子力学!---理查德·费曼”。

最后特别特别特别提醒,既然无法理解就千万不要去胡乱尝试自杀!!就算多世界解释是真的,成功验证的你也无法将验证结果告诉我们,因为我们与那个杀不死的你所在的世界无法交流!当然也不要总是幻想“飞去”那个必定存在的你才是世界首富的世界,它同样和你所处的世界互不干涉。总之,太累了,面对现实,到此为止吧~!


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[转载] 埃弗莱特的量子多世界理论
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