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任何人都可以明白的物理科普第十二部门

本文摘要:事情还远远没完。凭据延迟实验,惠勒把哥派理论向前推进了一步:没有一个量子现象是一个现象——直到它被记载为止;不存在一个现成的“已往”,除非它被“现在”所记载。哥派原来怎么说的?在观察之前,不存在任何物理量。 两个说法,其实没什么本质区别,只不外惠勒的说法更详细。玻尔对“观察”的解释,实际上正如惠勒说的那样:你不观察,就没有位置、动量、质量、时间等物理量——也就是连“客观存在”都没有,还哪儿来什么“历史”?

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事情还远远没完。凭据延迟实验,惠勒把哥派理论向前推进了一步:没有一个量子现象是一个现象——直到它被记载为止;不存在一个现成的“已往”,除非它被“现在”所记载。哥派原来怎么说的?在观察之前,不存在任何物理量。

两个说法,其实没什么本质区别,只不外惠勒的说法更详细。玻尔对“观察”的解释,实际上正如惠勒说的那样:你不观察,就没有位置、动量、质量、时间等物理量——也就是连“客观存在”都没有,还哪儿来什么“历史”?没有什么比“存在”与“历史”的关系更好明白的了:一只足球进了希尔顿的球门,于是镜头回放,追溯它的历史,发现这球是马拉多纳用手拨进来的。这就是球进门之前的历史——上帝之手。这个历史的基础前提,是球存在。

如果这只球基础不存在,它自然也就没有什么“历史”。怎样让它“存在”呢?哥派给的谜底是:观察。

你一观察,就有了物理量。有物理量就是存在。

然而,凭据不确定性原理,你观察到什么物理量,例如说动量巨细、位置如何、路径怎样……这些都是由观察手段决议的。你选择的观察手段,决议了观察工具“现在”的物理量,也就决议了它的历史。也就是说,我们现在的观察,可以缔造历史!无需穿越,只需选择观察手段 ,我们就可以左右历史!这个效果,不会因为你把头埋进沙堆就会消失。

问题是,这个推论靠谱吗?我们只能说,从现在的实验效果来看,它很可能是最靠谱的。请注意,“最靠谱”前面必须搭上“很可能”。因为,以后另有此外理论,同样可以解释这些现象。

这些以后再聊。现在的第一要务,就是把实验做了。

惠勒提出疯狂的延迟选择思想实验,让人一本正经随时受不了,大家争着争着,突然发现,这个思想实验完全可以搬进实验室!仅仅是5年后,延迟选择实验就被马里兰大学的卡洛尔•阿雷(Carroll Alley)和同事实现了,效果竟然和惠勒说的疯话一模一样!不平?慕尼黑大学也做了这个的实验,证明晰惠勒说的不是疯话!观察前,光子作为一个悲伤的波函数,弥漫在空中。我们的观察让波函数瞬间坍缩了,于是它有了物理量,观察方式顺便决议了相应的历史。

好吧惠勒,这个实验可以接受。不管有多疯狂,观察也是老大。

然而,惠勒决议,将疯狂举行到底。把因果律行刺在实验室里,不够壮烈,不够火爆。于是,他雄心勃勃的眼光瞄向了宇宙深处。

1979年,瓦尔希(Walsh)等人发现了一对相距5.7角秒的类星体0957±561A,B。离我们人类有上亿光年远。

它俩的亮度、光谱什么的都差不多。厥后才知道,这是同一个类星体被引力透镜作用搞出的两个像。类星体的万道光线光走了纷歧样的路,有两道碰巧被引力透镜弯到了同一个地球。

惠勒提出,用望远镜、光导纤维等工具,把两条路上的光子引诱到延迟实验装置,可以完成星际延迟选择实验!星际延迟选择?听起来好难!其实,只是多了两个望远镜和光导纤维而已,所以,这个实验基本没什么难度。然而,实验效果却让人咋舌:阴阳镜弟弟泛起与否,可以瞬间决议星际光子的旅行门路。要知道,它们上亿年前就已经出发了呀!因果的时间顺序惨遭蹂躏,事件的定域性倍受摧残。

“整体论”从单纯的空间拓展到了时空。这样说有点搪塞,因为,有些童鞋意识不到,这句话的意思其实是:观察之前,光子的波函数在它所掠过的漫漫时空长河中,始终都是一个整体!这……这这……你以为毁的只是因果律、定域性吗?另有三观和经典物理破碎的心!引力透镜自己证明晰定域的广义相对论是对的;而使用引力透镜搞出的延迟实验证明:宇宙不是定域的!佛主啊,你在搞什么?相对论告诉我们,这个现实世界是有多奇怪。而量子论说,真正奇怪的是,基础不存在什么现实世界!相对论没法解释量子行为,而量子论基础没空解释相对论,因为它也解释不了量子行为。

玻尔强力催生了哥本哈根解释,但他念了那几句咒之后,就再也不愿往前走了。一观察,便坍缩。为什么?不行说……这个鸟解释,让许多人不满足,而这个鸵鸟态度,让更多人不满足。延迟实验把残酷的现实摆在我们眼前,犹嫌不外瘾,他兴奋地解读道:观察之前,没有什么客观现实,只有无数可能的叠加。

只有观察了,波函数才气被坍缩成客观现实。好吧,这个说过了。那么,谁来观察才算数呢?实验讲明,仪器不行,而我们行。嗯,这个也说过了。

——于是,冯诺依曼、维格纳、惠勒等人给出一个惊人的判断:意识,可以让波函数坍缩成真。这个,前面也说过,屡见不鲜。然而,惠勒的解读还没完:所以,在没有意识泛起之前,没有什么宇宙,只有波函数。

当意识第一次泛起时,它才坍缩成现实世界。既然有了眼前这个世界,那么,就需要有这个世界的来源,是的,你猜对了,坍缩的不仅是眼前、现在,另有历史——你的观察决议了历史!是有意识的观察缔造了宇宙!这简直就是彻头彻尾的疯言疯语!原来,让意识掺合到物理中来,就已经激起了民愤,引起了科学家们的强烈不满。看在量子行事气势派头一贯诡异的份上,大家权当意识神马的是一剂调味品,学玻尔睁一只眼闭一只眼也就已往了。现在,你弄个劳什子延迟实验,搞得因果律、定域性很难看也就而已,还把意识提升到上帝的高度——缔造宇宙,这不是作死的节奏么?平行宇宙咱俩去用饭店,你只注意菜好吃就行了,你不能细琢磨擦桌子那块抹布是不是也擦碗,洗碗那桶水是不是也洗菜,剩菜那滩油是不是还回锅……否则你没得吃。

哥本哈根诠释就是玻尔掌柜开的量子江湖饭馆,你知道好用就是了,你不能细琢磨谁有资格做观察者,波函数究竟是怎么坍缩的,月亮姐姐到底在哪儿……否则就会像冯诺依曼、维格纳和惠勒那群冒失鬼一样,顺藤摸出一些匪夷所思的歪瓜,让大家在意识迷宫的歧途迷雾中恐惧,在因果纠结的荆棘藤蔓中挣扎。这样看来,玻尔的鸵鸟政策,倒成了最明智的选择。然而,马蜂窝已经捅了,就算你把眼一闭,爱咋咋地,蜂儿也不会离你而去。

所以,解决问题,才是正题。那么,我们要解决的,是哪个问题?换句话说,从哪儿下手?其实,那些七零八落的问题,都是一条藤上的瓜,这条藤就是波函数坍缩。波函数的概率漫衍,这是叠加问题;波函数是怎么坍缩的,这是机制问题;坍缩的物理量,这是观察手段问题;谁能让波函数坍缩,这是观察者资格和意识问题……所以,搞定了坍缩,也就搞定了世界。

不外,这件事是说来不易,做起更难。你只要回忆一下,建设量子论、又被坍缩折磨的都是哪些牛人,就不难过出结论:搞定坍缩,基本上是一件不行能的任务,蚍蜉撼树的事谁肯干?然而,还真有人挑战这个不行能。休•艾弗雷特Ⅲ(Hugh EverettⅢ)。

为什么他的名字后面有个“三”呢?因为他老爸、老爸的老爸都叫“休•艾弗雷特”,所以,谁人“Ⅲ”其实是“三世”的意思。艾三1930年出生在美国。

他从小善学好问,是爱因斯坦的粉丝,12岁时就给老爱写信问宇宙之类的问题,老爱还认真地回了信。1953年,艾三在美国天主教大学化学工程系结业后,入读普林斯顿大学数学系,随后转投物理,指导教授是惠勒。

钻研了冯诺伊曼和玻尔的量子力学之后,一股使命感在艾三心中油然而生:坍缩问题是关系到宇宙真理生死生死的问题,必须立刻马上抓紧解决掉!波函数怎样坍缩、为谁坍缩、凭啥坍缩……解决这些狗血问题,定是超乎想象地贫苦。然而,艾弗雷特给出了一个超乎想象的简朴方案:波函数没有坍缩!这就好比宇宙群众惊呼:“CPI涨太快受不了了!”而宇宙将军的回覆是:“没有CPI。

”很显然,这是在形貌理想,而不是在陈述事实。大家各取所需、没有CPI虽然爽到飞,但问题是,你说没有就没有么?艾三说,还真没有。

Look:一枚电子遛到双缝前,接下来的路怎么走?我们的纠结是,你不观察,它就走双缝,你一观察,它就随机选一条确定的门路走单缝——我们说这是波函数坍缩了。可是,这个蛋疼的坍缩其实是个误会,波函数没坍缩,它依然是种种可能的叠加,只不外,在咱俩的世界,你去观察,只能观察到其中的一种可能,至于其他可能,实际上也都发生了——在其他世界。

大千世界,无限可能,每一种可能对应一个世界!小同伴们,不要一副雷劈相,好歹我们也是让“意识”炼过的铜头铁臂,另有啥过不去的火焰山?怎么也得问问那么多世界是咋来的吧?1957年,艾弗雷特把这个想法写成了一篇论文,详解了多世界的来源:你用仪器去观察电子时,电子、仪器、你就发生了关联,观察工具、仪器、观察者成为一个系统,凭据薛定谔方程,电子把它的不确定性传给了整个系统,这样,整个系统也就进入了叠加态!观察工具有几多种可能,系统就有几多个叠加分支。在每一个分支中,都有一个确定的电子、一套测到确定值的仪器、一个看到确定值的你。每一个分支都是独立的。

然而,世界上,有什么工具称得上真正独立呢?只有世界自己。所以,每一个分支都对应一个差别的世界。你在双缝前观察电子,看到它在我们的世界走了左缝;而在另一个世界里,另一个你看到它走了右缝。

也就是说,世界也是叠加的!我们的世界,只不外是这无数叠加世界中的一个。是量子历程的不确定,造成了世界的叠加!艾弗雷特管这个历程叫“破裂”。惠勒看了,感受用词不妥,容易造成误会。于是在论文空缺处写了句:“破裂?最好换个词。

”显然,这个批注很没创意,远远比不上费马同志的谁人批注吸引眼球,所以大家都没注意。于是,许多同志认为,观察工具的量子历程一发生,世界就破裂。详细破裂成几多个,那要看观察工具的波函数叠加了几多种可能!破裂开来的世界相互独立,险些一模一样,除了观察工具的值。打开薛猫盒子,你在这个世界观察到活猫,另一个世界的你就观察到死猫!这样一来,大家就不用为波函数坍缩种种揪心了。

可是,可是,这个价格太大了!物理学家们煲一碗量子汤,哥派大厨倒进去整袋盐,很难下咽,而艾三大厨的高着是,把整个西湖的水倒进锅里,这下不咸了!如果这是一首歌,我们可以管它叫狂想曲,然而,这是篇正儿八经的物理论文!它不叫狂想曲,而叫“多世界解释”。解释中的世界相互独立,是谓“平行宇宙”。为了消灭坍缩,这个理论支付的价格让人心里堵得慌,闻者无不想一脚踩死,再用力拧蹭几下。然而,这个疯狂的创意,在逻辑上竟然没什么毛病!你没处下脚。

苍天呐!不外,它也不是一无是处,至少,在数学上,还是相当拼集的。刚刚说了,“破裂”(splitting)是个误会。简朴讲,你别把它当动词,而是当形容词明白,就差不多靠近艾弗雷特的本意了。

前面提到过,一个物理系统可以表现为一个复希尔伯特空间。所谓波函数,是复希尔伯特空间的一个向量,所谓坍缩,就是这个向量在某个偏向的投影。现在,我们就简朴聊聊这些工具大致是什么意思。

关于多维空间,以及“投影”之类的观点,咱俩在上部已经做过头脑热身,这里就不重复了。我们知道,一个二维的坐标,你在两根轴上划分随便取一个值,那么,这两个值就确定了二维空间的一个点。

这两个值是什么?就是这个点在两根轴上的投影!坐标轴上的数值可以是变量,例如说动量、位置什么的,这样,它们确定的谁人点就可以是运动的。反过来看,这里的变量值,就是运动的点在坐标轴上的矢量投影。2维空间的1个点有2个投影,3维空间的1个点有几个投影呢?哈,智慧的你答对了,确实是3个。因为这个点在每根轴上都有1个投影,除非,它在某个轴上的值是零。

以此类推,n维空间就有n根轴,n维空间的一个点,就会有n个投影。注意:这些投影都在形貌同一个点。这就是说,不管几多个变量,就n个吧,都可以用n维空间的1个点来表现。

OK,现在有两个点,A点有3个变量(投影),B点有4个变量,运动很庞大,怎么破?嘿嘿,我们可以把它们形貌为7维空间的1个点!这种用数学结构出来的高维空间,就是我们形貌的谁人系统的“相空间”。每一个物体都是由许多粒子组成的,你划分去形貌这些粒子,实在是太难了。

那么,使用相空间去形貌,马上就简朴多了:上面提到,一个粒子可以用一个点来表现,许多差别的点也可以用1个点来表现。这样,我们就可以把任何宏观物体(例如说一只猫)表现成一个点。

只不外组成它的粒子越多,我们增加的维度越多而已。别看多维空间想象起来难过不得了,但用数学处置惩罚起来却十分利便。你用哈密顿方程来形貌,更是利益看得见。

聊起哈密顿方程,你是不是想起了点啥?是的,曾经你死我活的矩阵力学和颠簸力学,都是从哈密顿方程出发,能手革新而来。本是同根生嘛。

OK,还是回到前面:一个物理系统可以表现为一个复希尔伯特空间。你可以把这个复希尔伯特空间看成“相空间”的升级版。

适才,我们已经把那只猫形貌成了一个点,这个点可以作为希尔伯特空间的一个向量,这个向量包罗了那只猫所有可能的状态,好比死、活等等。在希尔伯特空间,死呀、活呀等等这些个状态,都只不外是谁人点在差别偏向的投影而已。在数学上,每个投影都严格按方程随时间演化,不会莫名其妙消失。

也就是说,这些投影同根相生,但不相煎,它们互不相扰,每一个投影都是一种可能,这就是我们前面无数次提到的所谓“叠加态”。根据哥派解释,你一观察,观察工具就随机选个可能,确定下来——也就是只剩下一个偏向的投影,其他投影今后消失了。

“今后消失”什么意思?就是说这个历程不行逆,你没法凭据坍缩后的效果,推导出坍缩前的叠加态是个什么样。这就是惊天地泣鬼神的所谓波函数坍缩。

还记得吧?在经典物理中,你只要拿到某物(例如说彗星)在某时刻的全部资料,就能算出它从那里来,要到那里去,其前世今生后世,都能八卦得分绝不爽。在漂亮老实的经典家乡,所有物体的状态在时间轴上都是可逆的。坍缩历程跟经典物理正好相反。

不仅如此,坍缩,还会扯上机制、资格之类的问题,拔出这些萝卜,一定带出意识之类的烂泥。于是,艾弗雷特说:所谓坍缩,纯属虚构。你去看看薛定谔方程,它有坍缩的触发机制吗?木有!它有坍缩的远大理想吗?木有!它有坍缩过吗?木有!就是嘛,老薛的波函数从来都在康健协调可连续生长,确定就确定,叠加就叠加,一个粒子有自己的波函数,无数粒子组成的物体(好比猫、月亮姐姐、银河系等)也都有自己的波函数。

这些波函数组成了我们的世界。我们的世界可以用一个更大的波函数来表现。那么,这个世界在哪儿?在一个庞大的复希尔伯特空间里。

希尔伯特它的生长,可以用一个更大的波函数来表现。这就是宇宙。我们的世界,只不外是它无数投影(无数可能)中的一个。

我们知道,差别的投影,对应差别的空间维,它们都是相互垂直的,所以各投影之间,是相互伶仃的、阻遏的、不发生任何物质交流的。作为投影的一部门,我们就相当于阿细或阿扁,能观察到的,仅限于我们所在的投影。这个庞大投影中的一切,都只是无数可能中的一个,其他可能也都发生了,不外,只能在其他投影(世界)中观察到。所以,宇宙并未破裂,更不会因为你去观察而破裂,它的“全貌”原来就是叠加了种种可能的大杂烩。

或许,阿全可以一睹真容。宇宙从降生的那一刻起,就随着时间按波函数不停生长演化,可能性越来越多,世界分支也就越来越多,就像一棵枝条越生越多的超级大树,看似繁复庞杂,却枝桠清晰、因果明白、历程可逆——Stop!因果明白、历程可逆?!这不回到从前了吗?经典物理那沁人心脾的芬芳,已经萦绕鼻端了!这不正是我们苦苦寻觅的坚实可靠的家乡热土吗?薛定谔建设了一连、可逆的薛定谔方程,正是要牵着量子力学荣归故乡,而哥派这帮家伙,把人家的波函数搞坍缩了不说,还扔出“薛定谔方程比薛定谔本人智慧”这种刻薄话,让老薛干了活儿还消灭下好儿,那是相当的憋屈。不老实啊!现在,艾三的多世界理论站出来,主持公正:波函数还是老薛的波函数,它从未坍缩。你观察也好,不观察也罢,它就是严格按方程演化,包罗你是否观察、如何观察,随你怎么选,任你看到啥,都在波函数的手掌心里了。

每一个世界的你,都“注定”只能观察到一个确定量。为啥要说“注定”呢?因为你就在谁人投影里,谁人投影就是你的世界,你看不到世界以外的工具。是的,世界是决议的,不是随机的;世界是实在的,不是虚无缥缈的;世界是客观的,与意识无关!何等幸福优美的家园啊!我们再见到牛爷、麦爷,就不用担忧他们吹胡子怒视了!这是多大的乐成啊同志们!然而,艾弗雷特没有享受到乐成的眩晕感。

因为物理界的反映是:没有反映。玻尔的态度很有代表性。他看了这篇论文后,连阻挡的意见都没有,完全无视。

就像一粒沙,飘进了撒哈拉。可怜的艾三不知道,玻尔不只是对多世界解释不伤风,他抱定了哥本哈根解释,所以,对其他任何新解释都不感兴趣。值得一提的是,惠勒老师表现,艾三同学的多世界解释是个不错的想法,虽然这个解释把他热衷的意识说一脚踢开,但他还是努力修改和推荐了这篇博士论文。然而,孤掌难鸣,惠勒的热情之火,也燃烧不了整个沙漠。

反而是无边的冷漠,窒息了艾三同学的希望之火。他恋恋不舍地改了行,去做了几份很有前途的职业,也干出了名堂。

例如说在国防部举行军事研究时,改良了拉格朗日乘数法,发现了一套很拽的“艾弗雷特算法”,解决了事情难题;在五角大楼搞过最高秘密武器系统评估;与人互助,建立了Lambda公司,赚到了不少钱。一度成为世俗的乐成人士。然而,艾弗雷特就是兴奋不起来。

他游戏人生,嗜烟酗酒,对妻子孩子欠好。晚年搞得差点破产时,还在编程盘算种种贷款。最后一次醉酒,心脏病把他带去了另一个世界。

那时是1982年。他的骨灰被妻子丢进了垃圾堆。别误会,不是艾夫人绝情,这是艾三自己的主意。

别看艾弗雷特一家亲情冷淡,却在一点上惊人地一致:举家相信平行宇宙。女儿丽兹患精神破裂症,嫁给了一条毒虫,鹿车共挽,酗酒嗑药,丽兹1996年自杀,遗书约家人“在另一个世界再相见”。

儿子 马克•奥利弗•艾弗雷特摇滚乐队Eels的组建者和主唱。直到父亲的尸体被医护员拉走那一刻,马克才突然发现,影象中,没有碰触过父亲,甚至对父亲生前的印象也很模糊。他说,父亲“活在自己的平行世界”。

退相干多世界多世界解释简称MWI,是Many Worlds Interpretation 的缩写。这三个字母拼成了过山车轨道,像极了它的运气,也折射了艾弗雷特传奇的一生。MWI一出世,就不招人待见,姥姥不疼娘舅不爱,差点葬身历史的垃圾堆。

这也难怪,虽然它带来了经典故土的诱惑,但岑寂到冷漠的物理学家们可没那么好忽悠。没错,你在数学上没啥毛病,但在物理上,我们接受无能。就算我们无视悬在头顶的奥卡姆剃刀,认可有N多观察不到的世外世界,也无法弥补你MWI的先天不足。

例如说,你打着决议论的旗号,干着概率论的活动。说电子是“确定地”走了左右两条缝——在两个世界,但还是没法预测哪个我到左世界,哪个我到右世界,我们观察到左或右的概率依然是50%!这个效果,和哥本哈根解释下的量子论有区别吗?好吧,再退一步,就算上面的问题不是问题。

那么,既然粒子确定地走了双缝,那为什么我们观察时,它就不干预干与,不观察,它就干预干与?要知道,这两条路分属两个世界啊!它是怎么做到干预干与的?岂非,我们不观察时,它就能探测到另一个世界中自己的信息,两厢叠加,从而发生干预干与?!既然如此,我们为何观察不到由粒子组成的猫死活叠加?这是不是个大BUG?呃……这看上去简直是个大BUG。在科学论坛,任谁背上这么大一BUG,都死定了。于是果真,MWI和艾三的心一起沉入了海底。

然而,咸鱼也有翻身时。一转眼十几年已往了,到了20世纪70年月,挖坟者骤然降临。

布莱斯·德威特(Bryce S. DeWitt),德州大学物理学家。他刚看到MWI时,也是难以置信。然而,艾三的一句话感动了他:MWI的内在比抽象的哲学推理重要得多。

最终,德威特成了MWI的粉丝,从1970年起,他就以一种布道的使命感,著文游说,尽力宣扬多世界解释。1973年,德威特伙同门生格雷厄姆(Neill Graham),编辑出书了《量子力学的多世界诠释》,MWI随风潜入夜。1976年12月,著名科幻杂志《模拟》上揭晓了一篇名为《量子物理学与现实》的文章,文章中的多世界理论迷住了不少年轻读者。

征服了少年的心,你就征服了世界。多世界理论火了。艾弗雷特红了。尤其是在德州大学。

因为WMI的两个金牌推销员惠勒、德威特都在这儿。1977年,他们组织了一次集会,艾三应邀演讲MWI,受到前所未有的礼遇。思量到艾三烟瘾很重,官方特许他在四个小时的演讲中吸烟。

此乃该礼堂的唯一破例。这场演讲,是艾三最后一次“公然露面”,也是他以著名科学家的身份唯一的一次露面。这次牛哄哄的叼烟演讲后,艾三曾雄心勃勃计划复出,重返物理界,但没来得及实施,就去了另一个世界。

然而,对艾三来说,这趟演讲最重要的不是获得什么礼遇,而是和师弟的一次讨论。大卫·德义奇(David Deutsch),英国人,惠勒的学生。会后,德义奇找艾三聊了一通,今后成为MWI的王牌推销员,正是他消除了“破裂”的歧义,展现了MWI的概率规则是如何自然生成的。虽然没改变概率的效果,但减轻了大家思想上的排异反映。

险些是在MWI悄然还魂的同时,也就是德威特开始为MWI刷公益广告那年,一种新理论的兴起,为MWI的逆袭做好了准备。十几年后,它推波助澜,提供军器,让MWI成为坚持哥派解释的主力。

它就是传说中的“退相干”理论。1970年,迪特·泽赫(Dieter Zeh)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”。今后,沃奇克·祖瑞克(Wojciech Zurek)等倾情加盟,七手八脚地把这个理论发扬光大。这个退相干,搞定了MWI的谁人大BUG。

退相干理论怎么回事?我们简朴讲。讲起来很贫苦,前面说过,每一个向量可以对应一个空间维,这些向量并不都是正交的。

所谓“正交”,你可以简朴明白成“向量之间的夹角相互垂直”。在低维状态下,两个空间维完全垂直的可能性不大。不信,你随便扔两根筷子,录影中随机定格看看,让它俩相交并完全垂直,是不是比中六合彩还难?OK,由于单个粒子的相空间维度不高,所以,它所在的两个世界一般都不是正交的,既然两根轴不相互垂直,那么就会相互投影。

这就是说,两个世界可以相互察觉(虽然“图像”变形)、相互关联——通俗讲,它们之间有牵连,也就是“相干”。所以,单粒子过双缝,虽然这两条路分属两个世界,但二者“相干”,就可以相互叠加、相互干预干与。这是单粒子的情况。如果是许多粒子组成的某物,会怎么样呢?前面说过,许多粒子也可以表现为一个点,只不外它的相空间维数就急剧上升。

维数越多,自由度越大,向量之间的干预干与水平越小,也就是越趋向于正交。当维数到达一定量级,基本上你随便取两根轴,它俩都基本“正交”。例如说一只猫,组成它的粒子要到达10^27量级,几多?1千亿亿亿个。

还没观点?你要是有这么多一元纸币,码起来体积跟地球差不多!如此庞大的粒子系统,它的相空间维数至少也是10^27的量级。维数如此之高,引无数投影都正交!世界之间的关联被抹消,所以你看不到死活叠加的猫!粒子数增多,向量相干水平就减小,这个历程,就叫“退相干”。好吧,你赢了。可是,为什么你不观察,粒子就走双缝,跨世界干预干与;你一观察,粒子就跨不了世界了呢?很简朴,宏观的仪器,宏观的你,都是由无数粒子组成的——想想适才那只猫咪。

你一观察,就和粒子发生了关系,相互关联成一个系统,你和仪器这些个极高维的相空间就被引入,与粒子同处一个希尔伯特空间,粒子的两个世界正交了,那两条路不再叠加、不再纠缠,相忘于江湖,劳燕分飞两不相干。所以不会干预干与了!漂亮!好一招借力打力!退相干使用量子力学原有的数学,糅合了测禁绝原理的思想,巧妙地引入了情况对粒子的相互作用,洁净利落地搞定了MWI的大BUG。

经典物理把情况的作用当成噪音和滋扰,能清除的都清除,但到了量子物理,影响观察工具的这些“噪音”、“滋扰”基础就剪不停、扯还乱,我们再也无法忽略、无法逃脱,它们精密关联、纠缠,它们的爱恨情仇,决议了观察效果!哗!多世界+退相干,简直就是绝配!意识被一脚踢飞。观察者不再攻克主宰职位。

物理学家不再为坍缩劳心伤肺。薛猫不再又死又活让人羞愧。世界是实在的,万类循规,不再虚无吊诡。

宇宙是决议的,因果清晰,不再孟浪邪魅。我们屡战屡溃,踏破铁鞋,败而不馁,误闯太虚幻梦,丢掉了祖国山水!几多次末路穷途,汗洒泪飞。无谓?无畏!终于闯过最后一道险峰,哈,故土就在眼前,我们载誉荣归!真他猫的完美!是不是可以点根火箭庆祝下?“不!”奥卡姆剃刀在咆哮。

“这个理论看上去很美,却拖着一个大大的累赘!”这个累赘,就是那些世外世界。不管你的理论有多性感、有多诱人,那无数个世界仅仅为了搞定波函数坍缩而存在,是不是也有点扯?价格也太大了点吧?这不是买卖,而是拐卖!况且,那无数个世界,一个也观察不到,这是在自欺,还是在欺人?无法观察的量,在物理上是没有意义的,你如何证明那些世界“真的”存在?!嘿,你还别说,有挖坑的,就有搭桥的。还真有人提出了证明措施:一个“猛士游戏”——量子自杀。

只听名字,就够恐怖。这个不人道的设计,其实是薛猫的真人cosplay暴力版。

根据哥本哈根解释,薛猫不管是死是活还是死活叠加,那猫仅有一只,别无分体;但根据多世界解释,情况就完全纷歧样了,因为多世界认理论认为,每一种可能都已经在差别的世界发生了,也就是说,每一种可能,都市对应一个世界。于是,薛猫盒打开,有一只活猫存在于此世界,就有另一只死猫存在于彼世界。

凭据这个原理,某位猛士去取代猫,用手枪取代毒气瓶。中子射出,枪响人亡;不射,再来一遍。每次实验,猛士都市面临两种可能:死,活。

我们勤劳残忍地把这个实验不停做下去,对照一下哥派和MWI双方的预测效果,就立刻分得出谁是谁非了!凭据哥本哈解释,每次实验只有50%的生存可能,你知道的,50%×50%......算来算去,活下来的概率越来越小。频频实验后,这人八成就挂了。

运气再好,他也活不长。而凭据MWI,每次实验,猛士都市在一个世界中死去,在另一个世界活下来。

那么,不管他一直活下去的可能有多小,其概率也不为零。于是,不管他在某些世界死了几多次,也永远会有一个世界中的他还幸运而苦逼地在世!这叫“量子永生”。

我们晓得,“永生”这工具,自古以来就绝不靠谱,专门骗人。然而,凭据MWI,量子永生在逻辑上是没问题的。推而广之,不管你用什么措施自杀,也不管你在几多个世界中壮烈牺牲,但总有一个世界的你,因为种种令人瓦解的奇遇,让你自杀未遂——不管你有多想脱离和多想不开。

严正声明:量子自杀、量子永生只是思想实验及推理,万勿实验!嗯,打住。说正经的,验证措施是,如果猛士同志彻底挂掉了,那么哥派解释胜出;如果猛士同志一个劲儿地做实验,而且他感受自己一直在世(实验装置无故障),他就有理由越来越相信,MWI胜出的可能性越来越大。

什么?你说这不行能?欠好意思,这是可能的,证据随处可见:宇宙中的两个粒子联合在一起的概率是几多?有人估算,宇宙有10^80个粒子,宇宙尺度又这么大,两个特定的粒子联合在一起的概率无比靠近0,如果要三个特定的粒子联合在一起,这个概率就加倍减小,然而,你身上的10^28个原子真真儿地组成了神奇的你,对这些粒子来说,是不是巧合到地裂天崩?然而,“你存在”这个事实告诉我们,你身上的这10^28个粒子组合成你的概率是100%!这是个奇迹吗?对不起,地球、以及地球上的每个生物,都是由N^n个粒子无比巧合地凑在一起组成的,所以,谁的存在都不算奇迹,我们人类一起在地球上思考宇宙,才是奇迹!咳咳,跑偏了——在量子自杀实验中一直活下去,概率不是零。圈外人理查德·费曼山高路远坑深,悲欢总是泪奔。

这厢横刀立马,那厢卧槽将军。路很长,不容易。走过来、走已往,没有凭据地,汗也流、泪也落,心中不平气,山也多、水也多,分不清工具,人也多、嘴也多,讲不清原理……这一路走来,有两个字险些成了我们的口头禅:疯、狂。是的,所谓疯,就是不走寻常路;所谓狂,就是不屑寻常路。

宇宙真理不能靠发现,只能去探明。发现是私人定制,而探明是开疆扩土,你会遇到啥,鬼都不知道。

于是,看起来很疯狂。所谓不疯魔不成活。实际上,相对于宇宙的众多深邃,人类感知能力实在是弱爆了,你不出点格,还真就找不到真相。

尤其是到了我们看不见摸不着的量子领域。曾几何时,爱因斯坦被人怀疑疯了,而普朗克怀疑自己疯了,可厥后,大家发现,恰恰是这些“疯子”,在引导人类走近真相。因此来说,在某些时候,疯、狂二字,对一些物理大神来说,简直就是“正确”的代名词!所以,玻尔的看法是,该疯疯,该狂狂,千万别客套。海森堡拿出匪夷所思的矩阵力学时,泡利的第一反映是“这简直是疯了”,而玻尔还嫌小海疯得不够,所以在这匹狂奔的小马身上抽了一鞭子。

一次,泡利到哥伦比亚大学浦宾实验室,讲到小海的基本粒子非线性新理论,玻尔听了,朝桌子劈面的泡利摇摇头:“这不行能是对的。因为它还不够狂妄”。而泡利则针尖对麦芒:“它够狂妄的了。”你知道,泡利在说,小海是对的。

他们说的“狂妄”,固然不是莫名其妙的轻妄自大,而是“有充实凭据的违例或荒诞”。艾弗雷特的MWI,正是这种“狂妄”的产物。多宇宙理论一面世,所有人都认为艾三同志疯了,连唯恐疯得不够的玻尔都接受不了,认为这伙计疯过头了。

只有惠勒认为艾三疯还得不够。破裂的宇宙让人难以忍受,但缜密的逻辑令阻挡者无从下口!于是,1988年,美国哲学家阿尔伯特和洛厄挺身而出:既然我们受不了宇宙破裂,就让我们自己破裂了吧!他俩提出了MWI的精神变种——多精神理论。大意是,宇宙还是一个宇宙,它从未破裂,但我们,也就是观察者,都有无数个精神,或者说是意识。说白了,精神是破裂的。

看上去是你,实际上是你们。每一个你,都市意识到一个确定的丈量效果……不往下说了,一来你们已经明确了;二来,这个理论提出没多久,就被提出者扔进了废纸篓。

这些让人抓狂、蛋疼的理论,其实都是量子力学自己逼出来的。你有砸碎旧世界的勇气,就得有建好新世界的能力。

你强拆了决议论,就得交接清楚,概率是怎么来的,波函数是怎么坍缩的,什么才算是一次观察。你搞不清,还不想把意识扯进物理,那就得认可有隐变量;你找不到隐变量,就得认可波函数没有坍缩;你说波函数没有坍缩,那就只能委屈宇宙搞破裂了……所有这些纠结,实际上都来自矩阵力学和颠簸力学。正是它俩,把我们从经典的热炕头蛊惑出来,扔到雾霾密布的荆棘丛中,还甩了句:“又想过猪的日子,又不想要猪的了局,哪捡这自制事儿?奋斗吧骚年!”然后,就没有然后了。那么,脱离了它俩,我们是不是就无枝可依了呢?谜底相当得人心:不!除了它俩,量子力学家族另有一位新成员,我们没来得及先容。

说来话长,波粒这对冤家闹了几百年,终于修成矩阵力学、颠簸力学,在量子阵前遭遇、冲突、会师,最后喜结良缘,双剑合璧,睥睨天下。眼见这场强强攀亲要美翻天,却不意,半路杀出个圈外人:路径积分。引来这个圈外人的,是另一位大神:理查德•费曼(Richard Feynman)。这位爷在前面跑过频频龙套,但现在,是他当角儿的时候了。

费曼1918年5月出生于美国。父亲麦尔维尔•阿瑟•费曼热爱科学,但疲于营生,没有实现当一名物理学家的理想,于是,立志让孩子们圆这个梦。他做到了。

儿子理查德和女儿琼都成了物理学家。毫无疑问,费曼是个天才。他心灵手巧,少年时期就可以给人家修电器赚零花钱了。

上高中后,学长们用高年级的数学难题考他,他总是三下五除二搞定,令学长们膜拜不已。他认为自己最不擅长绘画,但被一位画家朋侪诱导学画后,他的许多画被多人买去收藏(署名是笔名)。高三那年,费曼到场纽约大学数学锦标赛,一举夺魁,得分甩了第二名几条街,惊呆了裁判。

1935年,费曼进入麻省理工学院(MIT),学了物理学数学。从狄拉克的《量子力学原理》中,读到了大家对量子电动力学现状的种种不爽。

于是,费曼决议,拿出一个大家满足的谜底。不得不说,这是一个雄伟到狂妄的目的。但费曼只知雄伟,不觉狂妄。因为,他认为自己设计的门路很靠谱:搞定经典电动力学的发散难题,把它量子化,差不多就OK了。

1939年,费曼在《物理评论》上揭晓了大学结业论文,内有一个量子力学公式,厥后以他的名字命名。这已经很牛了,但离他的雄伟目的还差得很远。结业后,他报考普林斯顿大学的数学和物理研究生,以空前的满分入学。导师是大他7岁的惠勒。

这是一对好师徒。费曼决议,继续跟发散难题死磕。

这“发散难题”是何方神圣呢?在经典电动力学中,每个点电荷——就说电子吧,都要发生一个电磁场。发生场干嘛用呢?说来很无聊,既自扰(作用于场主自身),又扰民(作用于其他电子)。这个场所具有的能量,就是场主电子的“自能”。

问题就出在这儿,你想准确盘算它,就会得出一个吐血的效果:无穷大。这个,我们并不生疏。从来访的频率上看,无穷大同志应该是物理界的老朋侪,然而,从实际效果上来看,它绝壁是物国人民的死敌。

这就是发散难题。它的泉源是,场有无穷多的自由度,你越是往准确里算,把所有的微扰项都加进去,积分的上限就越发散为无穷大。从公式里看,罪魁是高能光子,它们为无穷大的入侵做出了不行消逝的孝敬。

所以,这个发散又叫“紫外发散”。费曼发现,如果场只扰民,不庸人自扰,就可以解决无穷多自由度等问题。然而,如果电子不自扰,你就解释不了辐射阻尼。

这“辐射阻尼”又是哪路神仙呢?说起来不生疏,所谓阻尼,简朴说就是阻碍物体运动的一种作用。跟直接挖陷阱使绊子这种下三滥的招数相比,阻尼更腹黑,它使用相互作用,把运动能量逐渐耗尽,到达衰减运动的目的。例如说弹簧,都是开始弹得欢,然后它的行动一定会越来越小,最后彻底老实。这就是由于粒子间的种种作用,弹力转化成了热能等其他能量,被耗散洁净的效果。

嗯,振动系统由于某种作用,引起的振动幅度逐渐下降的特性,就叫阻尼。前面说过,电子一旦加速运动,就必须辐射能量——电磁波,如果没有增补,谱线变宽,振幅下降,系统能量很快就被耗尽,这种阻尼,就叫“辐射阻尼”。让电子的场只扰民,不自扰,其实不光是费曼的愿望,也是洛伦兹的愿望。

为了赔偿加速电子的经济危机,洛老师早在世纪之初,就使用电子“推迟势”的相互作用,来大搞投资,维持系统能量GDP。所谓推迟势,简朴讲,就是由于有距离,需要推迟一点时间才气相互影响的电磁作用。然而,这样搞,虽然保住了GDP,却造成了一个无法愈合的内伤:电磁质量无穷大!费曼一筹莫展之际,惠勒出马来援:你消灭自扰的想法可以试试,但不要纠结于辐射阻尼,攘外必先安内,可以曲线救国嘛!惠勒引入了狄拉克的一个假设:电子用来自扰的作案工具,有推迟势,也有超前势。

两股势力的一半用来自扰,另一半用来扰民。它们相互作用、相互牵制。虽然超前势不切合因果律,但在数学上用一用,还是无伤风雅的。这样一搞,用来自扰的半推迟和半超前两股黑恶势力火拼,这就消除了自扰,顺便踢跑了无穷大,还保留了一个有限的辐射阻尼!为麦爷操作系统添了一款超值附件!美翻了?不,这仅仅是开始。

应用半超前半推迟的相互作用,费曼发现了一个新的作用量!“作用量”很了不起吗?需要加个叹号?是的,作用量是经典物理的一个重要基本观点,它是指一个运动系统内在的演化趋向。我们要搞清楚一个系统的变化,只需取两个“时空点”的状态,也就是初始值与最终值,然后求解作用量,就可以搞到这两点之间每个点的状态。

那么,作用量千变万化,无限可能浩如烟海,我们怎么求是好呢?这个好办,大自然是最高效低耗、节能减排的,所以,我们只要求解作用量的极值(固然是最小值),就恰好合了自然纪律,这就是前面说过的“最小作用量原理”:任何作用、任何行为,自然界总是选最简朴的方法。这是经典物理的重要基石之一。

牛顿运动定律用的是微分方程,而用积分方程来处置惩罚作用量,能获得相同的效果。费曼用恰时积分表现电子的四矢位置,处置惩罚那两股势力的直接相互作用,获得这个“新作用量”。又从这个作用量出发,导出了配备这款超值附件的麦爷方程。

哈,这是经典电动力学的一个新形式!这内里涉及到哈密顿、拉格朗日等大神的一堆术语,就不细说了。我们只要没忘记前面说过的:什么“哈密顿-雅可例如程”、“拉格朗日力学”、“哈密顿力学”,它们跟“牛顿力学”是完全等价的,只是表述方式差别,就OK了。

我们知道,矩阵力学、颠簸力学这对冤家之所以喜结良缘、双剑合璧,就因为“本是同根生”,它们脚上的那根红线,就是哈密顿函数!隐约有个声音在说:费曼,你的路子是对的。然而,费曼现在挠心的是,怎么才气把他的“新作用量”量子化?说起来,真是“苦心人、天不负”,一位到普林斯顿会见的欧洲学者聊到:狄拉克同志的某篇论文讨论过这事儿。费曼光速去图书馆找到这篇1932年的论文,果真,小狄一本正经地把作用量和拉格朗日函数引进了量子力学。

只不外,他还没有把作用量一本正经地量子化。费曼中奖了,他把小狄的思想向前生长了一步,直接写进公式,处置惩罚作用量,华美丽地导出了薛定谔方程!1942年,费曼揭晓了他的博士论文《量子力学的最小作用原理》。费曼博士导来导去,把传统的波函数,酿成了从初态到末态的概率幅。在这里,作用量被形貌成概率幅,舞台搭在初态和末态的时空点之间,全程演出叠加原理。

随后,费曼到场了曼哈顿计划,和罗伯特•奥本海默(Robert Oppenheimer 原子弹之父)、汉斯•贝特(Hans Bethe美国物理学家,1967年诺贝尔物理学奖得主)、恩利克•费米(Enrica Fermi 1938年诺贝尔物理学奖得主)、爱德华•泰勒(Edward Teller 氢弹之父)、冯诺依曼等大神共事。费曼的坦诚直率、敏锐聪慧很快就受到大神们的赏识,其中包罗玻尔。维格纳更是把费曼誉为翻版狄拉克,看样子,如果维格纳有另一个妹妹未嫁,他会让她嫁给费曼。

贝特把老跟自己唱反调的费曼弄到自己手下,让他当了盘算组的组长。贝特没看走眼,他跟人炫耀:“费曼能做任何事情。”还请费曼到康奈尔大学共事。费曼的事情真是顺风顺水,然而,家庭却灾患丛生。

1945年,爱妻阿琳去世。次年,父亲麦尔维尔去世。

费曼一度低迷忧郁,他戴上面具,体现得正能量十足,不停找难题挑战自己。例如说,他瞥见某学生抛起一个餐盘,就去用公式形貌盘子转动与摆动的关系,最后证明:当摆动角度很小时,转动速度是摆动速度的两倍。贝特兴致勃勃地听了费曼的飞盘研究,问道:这醒目嘛呢?费曼想来想去,飞盘研究简直没啥实际价值。

于是决议,专心继续实现谁人雄伟目的。在费曼的博士论文中,“路径积分”的思想已经萌芽,他要在路径复概率幅的框架内,建设一个更简朴的相对论性电子理论。

说白了,就是不用狄拉克方程,可是能获得狄拉克方程的全部效果。这太疯狂了!不用说,他遇到许多难题,例如说关于“自旋1/2的相对论性电子”方面的问题。说到路径积分,其实一点也不新鲜。我们知道,自从牛爷和莱布尼兹鼓捣出了微积分,大家一有贫苦就拿出来用。

这微积分也真长脸,经由种种改编、混搭,险些是攻无不克!到了20世纪30年月,人类的野心越来越大,逮啥就想算啥。例如说,你偏不用称,却非要靠盘算来搞清一块矿石的质量,你知道的,矿石这工具,密度不均,形状怪异,前重后轻,左宽右窄,算不出来就很不舒服,整晚失眠。

为了不牵连维格纳的妹妹,狄拉克提出了“曲线积分法”,也就是路径积分。可以把矿石的密度等变化用曲线表现,举行积分盘算,它不是沿着区间取值,而是沿着特定的曲线(路径)取值,故名之。至于积分的工具,可以是弧长,也可以是坐标轴的曲线,两者殊途同归,让陈家村的铁匠改一改,就能相互转换。

灵感终于降临,费曼走出雾霾,他5年的苦思冥想,换来一幅奇妙的世界图像:万类时空竞自由,粒子运动的所有可能路径——也就是世界线,漫空飞翔,叠加成妙曼的概率幅!费曼找到了量子力学的第三种体现形式——作用量量子化的路径积分法。1948年,费曼揭晓了题为《非相对论量子力学的时空形貌》的论文。

关注初态和末态,在这两个时空点之间,把粒子所有可能的路径(世界线)遍历求和,看起来很贫苦是吧?妙就妙在大部门路径可以直接相互抵消,剩下的那些路径的值,始终与颠簸、矩阵力学保持高度一致!也就是说,路径积分跟颠簸力学、矩阵力学是等价的!顺便八卦一下,费曼在解决电子自旋难题时,用到了飞盘研究。哈,你看出来了,费曼的这个路径积分,和狄拉克的路径积分不是一回事:费曼是对每条路径的概率函数举行积分,而狄拉克是对路径上的取值举行积分。不外,这都不是事儿,因为在费曼的路径积分形式里,也离不开狄拉克的路径积分法。阻挡DH比力强烈的团队之一,是GRW阵营。

所谓GRW,是三个意大利物理学家名字的简拼:吉拉迪(G•Ghirardi)、瑞米尼(A•Rimini)、韦伯(T•Weber)。1986年,这三位提出一个模型,这个模型就叫“GRW理论”。

它有一个野心勃勃的目的:揭秘波函数坍缩!GRW认为:每个粒子的波函数都市随机、自发地失常——从朦胧的弥漫态,酿成一个比力确定的定域态——也就是所谓坍缩(所以GRW又叫“自发定域理论”)。但一次坍缩要等良久。

多久呢?平均或许10^15到10^16秒,差不多几亿年才坍缩一次。为什么又是“或许”又是“差不多”呢?因为这个数字,是凭据观察效果的需要,倒估出来的。坍缩一次要等这么久,还测个毛啊?!莫急,GRW另有一个机制:任何系统都市和外界发生关系,互动互扰互折腾。

一个粒子坍缩了,和它发生纠缠关系的粒子会惨遭连坐,一起坍缩……就像在弹药库引爆了一颗炸弹。这样一来,坍缩就变得相当容易了:一只猫有10^27个粒子,就算一个粒子平均10^16秒才坍缩一次,这只猫身上每秒钟也会有10^11个粒子坍缩,也就是10^-11秒就有一个粒子坍缩,它们会瞬间牵连其他粒子,沿着纠缠不清的关系网,连锁坍缩下去,于是,整个猫的叠加态消失了!一个系统的粒子越多,它坍缩得也就越快。

如此说来,薛猫简直履历了又死又活的叠加态,只不外这个历程太短,不凌驾1纳秒(10^-9秒),我们基础无法感知。所以,我们瞥见的,不是死猫,就是活猫!妙妙妙!GRW用“自发随机坍缩”+“纠缠连坐”一套小机制,貌似轻松地揭开了坍缩之谜:什么让波函数坍缩?自发的;如何坍缩?随机的;为什么宏观物体是定域的?因为粒子量够大,一人结扎全家庆幸…哦不…一个坍缩团体连坐;既然是随机的那为嘛一观察就坍缩?因为宏观的仪器和你被引入纠缠关系网,牵连人家坍缩……是不是简练自然?不仅如此,通过调整理论参数——包罗上面提到的单粒子自发坍缩时间,这个理论和现在的实验效果相当的一致!而且,不用意识点炮,不用隐变量顶包,世界、精神、历史都用不着破裂了!这种理论,岂不花见花开人见人嗨?!然而,事实正好相反。

多数物理学家不喜欢它。因为,它虽然够简练,但不够优雅。看上去是在帮你忙,骨子里却在逗你玩。

例如说,慢性行刺能量守恒定律,虽然造成的破坏极微小,等候的时间极漫长,乍看上去险些就守恒了,可是,不守恒就是不守恒,不在于它有多不守恒。能量守恒定律久经磨练,深受宽大科学家信赖和拥戴,任何企图置之死地的行为,都是搬起石头砸自己的脚,必将受到物理界的藐视。况且,GRW另有个关键问题没交接清楚:粒子自发坍缩因何而起?岂非是因为不开心或太开心?技术问题另有N多,细说也没什么意义,因为,GRW团队对GRW不太满足。所以,珀尔、吉拉迪和瑞米尼组成了新三人团,于1990年鼓捣出“一连随机局域化”模型,简称CSL,宣布揪到了自发坍缩背后的黑手:引力。

险些是同时,日内瓦大学的吉森(N.Gisin)等几位物理学家也纷纷提出类似的方案,用来修正GRW。看这架势,引力是难辞其咎了。

然而,1994年,佩西瓦(Ian.Percival)也搞了个新理论:基本量子态扩散理论,简称QSD。他也宣布揪出了自发坍缩的幕后黑手:时空随机涨落。固然,遭到群众举报的黑手不止这两只。

坍缩虽然很难搞,但不至于团伙作案。谁是真正的幕后黑手?线索太多,一时间庞杂如麻,让人心里草长鹰飞。如果集齐100个理论,便可领取超值新版真相一枚,倒也值了。

然而,上帝显着不喜欢这种游戏。想要真相,你只能踏踏实实去找。

可找来找去,人们绝望地发现,你避开了一座悬崖,就陷进了一片泥潭,甩开一团迷雾,就跌入一个怪圈,你怎么也找不到一条脚底踏实、头顶妖冶的康庄大道。岂非,每条路都是通向死胡同的歪路外道?就没有一条妥帖通达的中庸之道?固然有!它叫“系综解释”。所谓系综,是个统计观点。

粒子们的脾气秉性虽然差不多,但个体行为却自由散漫,它们聚在一起,绝不会整齐划一,幸亏我们智慧,知道使用其秉性,以统计的方法,去掌握它们的总体行为趋向。这个手段很眼熟是吧?所以,下面这句,我们就不难明白:对相同性质体系的荟萃,使用统计手段,获得平均效果,就是系综的任务。“系综解释”谁提出来的?支持者喜欢说是爱因斯坦。因为从第五次索尔维集会起,爱因斯坦多次提到这个看法:ψ所形貌的,不是单个体系,而是多个体系,从统计力学上讲,就是“系综”。

我们知道,老爱的意思是,量子力学“不完备”,它不能准确形貌粒子行为,只好使用统计手段,得出概率效果,就像当初自己搞定布朗运动一样。老爱希望量子力学进一步完善,直到扔掉概率,形貌单个粒子简直定行为。然而,系综派的意思略有差别:量子力学简直是统计的,它简直无力搞定单个粒子行为,那是因为,世界原来就是统计性的,基础就不存在形貌单个粒子的可能!只有“系综”才有物理意义。

任何窥视单个粒子的企图都是自讨苦吃,必将被坚硬的现实撞得头破血流!老爱的意思,大家不行能不懂,然而,系综派坚持打着老爱的大旗,似乎这样,才气让他们的现实更坚硬一些。20世纪40年月,前苏联轰轰烈烈地开展了批判哥本哈根学派的思想运动,系综解释勇挑重担,代表辩证唯物主义,狠批了哥派“唯心主义”。科学院通讯院士布洛欣采夫提出了量子力学的系综解释,给出了量子系综的界说:附属同一宏观情况的“粒子或体系的荟萃”。

这跟经典系综观点差不多。系综解释说,没有什么叠加,也没有什么坍缩,更不存在什么隐变量,关键是,不存在什么“单个粒子的状态”,那没有物理意义。所以,我们不能形貌个体粒子,只能统计系统的“荟萃”状态。而量子力学已经做到了。

它是完备的。薛定谔方程形貌的是什么?哈,你们都误会了!那不行能是单个粒子的叠加态,只能是在同一情况下,无数粒子的统计平均值。它说粒子穿过了左缝,也越过了右缝,那不是指单粒子同时左右逢源,而是指许多粒子过缝时,左右时机对等:各50%!这下圆满了,我们不用为叠加纳闷,因为没有叠加;也不用为坍缩费心,因为没有坍缩;更不用为完善量子力学费心,因为它原来就是完备的!而且它也没那么神秘了,因为它只是经典统计手段在量子领域的应用!这样一来,量子力学爽飞了:既保留了数学形式,又掩盖了哲学问题,还回归了经典故土。哈,见过共赢的,没见过赢得如此八面玲珑的!然而,八面玲珑、两头堵、和稀泥这种事,在政治上玩玩儿还行,用到科学上,就土鳖了!这不,一根筋的物理学家刨根问底:单电子是怎么过双缝的?它老人家是怎么自我干预干与的?这些硬邦邦的问题,岂是一句“个体粒子行为没有物理意义”就能搪塞已往的?况且,你打着辩证唯物主义的旗号,却辩证地证明自己和唯心主义是没法分辨的!好比,哥派说,不存在客观的物理量,主客观不行分。

而布洛欣采夫同志说,存在客观物理量,主客观可以分。可是,布同志又认可,丈量者、仪器一定与观察工具发生相互作用,量子的统计性,是微观与宏观相互作用的效果。

这就是说,你去丈量时,统计性才存在。也是丈量,也有观察者……你的客观性都去哪儿了?这和唯心的哥派有何区别呢?如果再问一句“经典情况为啥会让微观系统发生概率效果”之类的问题,是不是就焦头烂额了?所以,这个耍小智慧、走投机门路的系综解释,是不得民心的。群众的眼睛虽然没雪那么亮,但你掩耳盗的是钟,夜半钟声都到客船了呀年老!中庸之道也跑偏了,岂非无路可走了吗?固然不,量子之路就像叠加态,你数不清,许多小众之路,抬脚即是。只一件事,便坐拥这么多高端大气上档次的理论,你幸福吗?不!我们要的理论,不在乎它特色有多鲜明、内在有多富厚、立意有多深远、建瓴那屋有多高、翻新周期有多短,只在乎它是不是有用、好用,最关键的,它是不是真相!那么,怎么才气分辨真伪呢?最有效的手段固然是:实验。

说起实验,也不是那么容易。因为我们要观察的,是不行捉摸的粒子。

不行捉也不行摸还不算难,更难的是,多数解释的预测,都差不多啊差不多,甚至大部门数学效果一样!数学一样的部门,就没法拿来评判谁是谁非了,只能在哲学上死缠烂打,最后固然是谁也不平谁,翻云覆雨种种看,搞不出个公母来。纵然你找到数学效果纷歧样的地方,差异也是细微到险些没有。你知道的,这时,丈量精度就成了大问题。

例如说波函数坍缩,哥派认为,是瞬时坍缩,没有历程;而退相关连列认为,这个坍缩是有历程的;GRW同意坍缩有历程,但在数学上,这个历程用的时间是非差别。诸如此类,讲起来态度明白,但实际丈量起来,数学上差异极小,以至于很难到达明确区分的精度!所以,在丈量技术没到达精度要求之前,要找,就优先找基本预言纷歧致的地方。例如说,哥派、退相干、GRW一致认为“有坍缩”,而系综、MWI等解释认为“没有坍缩”,这该很好宣判了吧?可事实是,照样不容易!是的,你一观察,粒子就随机甩给你一个确定的效果,但你凭什么断定,它是波函数坍缩来的,或者它不是波函数坍缩来的?波函数是抽象的,它不能直接观察!坑爹吧?因了个此,想一决牝牡,不仅要“基本预言纷歧致”,还要“可以直接观察”!这样的理论预言有吗?有的。

例如说“生意业务解释”。这是美国物理学家克拉玛(John Cramer)于1986年提出的。当年,费曼使用超前势和推迟势观点,找到了新作用量,还取得了麦爷方程的支持,鼓捣出了路径积分。克拉玛却从这两股势力的博弈互助中,看到了一条新路:推迟势发出一个波“出价”,超前势回一个波“确认”,两波在时间线上一顺一逆,交互干预干与,催生一款华美丽的“驻波”。

这个驻波不是虚无缥缈的,它在物理上真实存在。是波,也是粒。

但绝非一个抽象的函数!只是你一观察,骚扰了驻波,它顺手甩给你一个概率的效果而已。这个解释,很是合理,也很是物理。而且,人家还宣称,这个机制,跟哥本哈根解释不符,但跟阿弗沙尔实验相符!这是伊朗科学家阿福沙尔(Shahriar Afshar)2001年搞的一个光学实验。

光子在这个实验里,既有粒的侠骨,又有波的柔情,让人抓狂。而凭据互补原理,在同一个实验里,你要么瞥见粒,要么还见波,鱼和熊掌不行兼得。分歧大了去了。那么,究竟谁是谁非,是不是一目了然呢?对不起,现在还不能给你一个明确的谜底,观察效果另有待进一步验证。

不外,虽然结论还不是很清朗,但这一记小闷棍,也把强悍的哥派解释打了个趔趄!你以为这样就算完了吗?固然不!因为祸怕孑立,它从不但行!这不,另有个实验,让哥派很尴尬。阿罗什2006年,法国科学家阿罗什(Serge Haroche) 特制了铌质镜子,镜面相对,距离3厘米,凑成一个空腔。然后,让光子在镜子间蹦跶了100多微秒,这个运动系统,可以看成经典世界:一只猫。

光子蹦跶得正欢时,让一个处于叠加态的铷原子途经,与光子暧昧纠缠。凭据咱俩的履历,铷原子的叠加态该坍缩了,是吧?然而,这个实验的神奇之处在于,它可以保持一小会儿叠加!于是,整个系统就成了薛猫。更神奇的是,阿罗什还可以对它举行丈量啊丈量!这一测没关系,他们发现,系统丢掉叠加态前后,有个时间差!这说明什么?说明如果真的有什么波函数坍缩,那它至少不是瞬时的,而是有历程的!至少在这一点上,哥派预言不是想象的那么靠谱。

不靠谱的预言还不止这一个。阿罗什的实验,实现了操控单个粒子,而且保持了它的量子态!翻译过来就是,现在量子态逆天了,你一观察,它不立马坍缩!美国物理学家维因兰德(David Wineland)用不太一样的措施,也到达了同样的效果。于是,他俩因为“让丈量和利用单个量子系统成为可能”,分享了2012年诺贝尔物理学奖。他们使用的手段包罗超低温、电磁场捕捉、激光脉冲控制等,详细细节就不说了,你懂的。

照这样说,哥派解释是不是废了?恰恰相反,它仍是无数解释中最坚挺的一个!不错,它是有些问题,但同时,它也是最准确、最简练的解释之一!在已有的实验PK中,它的战绩仍然压倒一切,它依然是新量子派对垒经典派的前锋!例如说下面这场旷日持久的战役,就给这个招牌解释挣来不小的体面。这场战役,就是把EPR实验从理想转为现实。当初,爱因斯坦和玻尔一致同意,小小和圆圆两个粒子亲密接触、分手后,一个左旋,一个右旋。

分歧在哪儿呢?玻尔认为:你观察前,两者是个整体,大家都处于叠加态,没有详细物理量;观察时,小小被骚扰,随机坍缩成左旋,同时,圆圆也感应到骚扰,坚决选择右旋。老爱认为:没有什么坍缩,也不用什么超光速信号,不管你观察还是不观察,谁左旋、谁右旋,在它们分手的那一刻,就已经确定了。

从1935年EPR佯谬提出时起,把这个理想实验搬进现实,就成了无数物理学家的梦想。不仅仅是要断个输赢,更重要的是,大家真的很想知道:这个世界究竟是什么?然而,实验难度真的很大。首先,所谓的左旋右旋,只是为了说明一对纠缠的粒子偏向相反,它并不真的一个向左,一个向右,一目了然,而是任何偏向都有,你怎么测?其次,粒子速度快,分手后运动偏向不确定,它们又小到不行捉摸,你怎么测?第三,实验要求俩粒子分手一段距离再测,我们的空间种种粒子乱窜,无数滋扰纷繁微妙,你怎么测?第四,就算前面的问题都搞定了,你又怎么判断,左右旋是分手时就已经确定的,还是你观察时骚扰坍缩的?技术难题多了去了,直到1964年,贝尔才找到验证的可能。

对,就是发现冯诺依曼同学数学题做错了的谁人贝尔。贝尔的高着是,统计“协作水平”。啥叫“协作水平”呢?就是甲乙双方行为的相关水平。

就拿伉俪来说吧,鹿车共挽,固然叫协作水平高;夫唱,妇一定不随,也是协作水平高,因为只要观察到“夫唱了什么”,就知道“妇一定不会随着唱什么”;夫唱,妇纷歧定随,这就是协作水平低,你观察这个,跟另一个基本没关系。是的,不管是特别一致,还是特别纷歧致,都属于协作水平高。

所以,谁忠诚落实“通常敌人阻挡的,我们就要拥护;通常敌人拥护的,我们就要阻挡。”那就是主动与敌方互助。

你提高国民文化素质,我就认定知识越多越反动;你习惯挑剔总统,我习惯山呼万岁;你说老爱是牛顿再世,我就说老爱是牛鬼蛇神;你说不能靠吃屎过日子,我靠……!小小和圆圆两粒子亲密接触、分手后,咱俩远隔星际,在同一个偏向上划分监测,如果我测到小小是左旋,那么,你肯定会测到圆圆是右旋,其相关率——也可以叫“协作度”——是100%。这一点,爱玻双方都同意。然而,如果你我从差别偏向上丈量,效果就纷歧定了:在玻璃茶几上,反向转两个陀螺,咱俩正常俯视,小小顺时针,圆圆逆时针,特别纷歧致,相关。

但你这个坏人钻到茶几下面仰视圆圆,而我还是在正常俯视小小,那么,咱俩会发现它俩都是顺时针!如果始终这样观察,特别一致,也属相关。但你不老实,一会俯视、一会仰视、平视、斜视,这样的观察效果,就会破坏相关性。如此观察后,我们再去统计它们的协作度,会发现,总体协作度少于100%了。

这个很好明白,是吧?观察粒子自旋,虽然比茶几看陀螺庞大得多,但原理一样。粒子在空中飘过,居住在三维空间的咱俩,很自然地想到,要从三个偏向(纷歧定非要相互垂直)去丈量之。

在同一个偏向上,只有你左我右,或者你右我左这2种可能组合(2^1=2)。毫无疑问,相同偏向上测的效果,协作度一定是100%,也就是1。

然而,如果咱俩划分从x、y、z三个偏向上测,就会有8种可能组合(2^3=8,不信自己列)。差别偏向上测的效果,协作度一定会低于100%,因为,我在x偏向上测的是右,你在y偏向上测的就纷歧定是左是右了。但它会根据一定的概率来漫衍。

正儿八经统计起来,“夫唱,妇一定随”、“夫唱,妇一定不随”这两种奇葩的高协作度,就让它们相互内讧了吧。好吧,世界清静了?不,另有“夫唱,妇纷歧定随”的剧情,让这个世界热潮迭起。这里,就涉及到一个极限问题:从三个偏向上测,总体协作度最高是几多?这是一个简朴的统计问题(网上很容易搜到推导历程,这里就不写了),对贝尔这种数学尖子生来说,实在是小菜一碟。

所以,他很快就得出一个公式:|Pxz-Pzy|≤1+PxyPxy:小小在x偏向为左,同时,圆圆在y偏向上也为左的相关性。那么,公式左边的Pxz、Pzy是嘛意思,就很清楚了。别看这款公式其貌不扬,只是把x、z、y三个偏向的观察效果种种倒腾,十分无聊, 但它被一些物理学家誉为“20世纪科学最深刻的发现之一,宇宙中最神秘、最深刻的定理之一”,之所以没用“宇宙真理”这个土豪ID,是因为大家更喜欢谁人优雅的名字:贝尔不等式。

公式如此多娇,引无数英雄竞折腰?很遗憾,没折腰的,倒是有夭折的。1964年,贝尔把推导这条公式的论文《论EPR佯谬》揭晓在《物理》杂志的创刊号上,整篇论文简练深刻,明晰优雅,堪称大手笔!然而,这篇佳作跟《物理》一起被大家神奇地忽略了,一如当初他指出冯天才数学作业错误的那篇论文。一年后,《物理》寂然倒闭。不外,也不用太伤心。

这颗明珠终于还是被人捞了出来,璀璨的光线照亮了前程。短命的《物理》因为揭晓了贝尔不等式而名垂千古。

公式为什么这样牛呢?因为,它就是经典世界的紧箍咒!推导这款公式,贝尔用了两个基本假设:世界是定域的。小小和圆圆没有心灵感应,没有超光速信号。世界是实在的。

不管我们观不观察,小小和圆圆都在那儿,至于谁向左、谁向右,早在两粒子分手时就已经确定了。在这两个经典假设的基础上,贝尔使用经典的统计手法,导出了经典世界中,两粒子协作度的极限。也就是说,如果这两个假设是真的,粒子的诡异行为都是隐变量导致的,那么,两粒子的协作度绝无可能突破贝尔不等式!如果世界不是定域的,粒子不管相隔多远,都可以即时通信,或者世界不是实在的,它们的物理量是我们观察的那一刻才确定的,那么,两粒子的协作度会更高,就可以突破贝尔不等式。贝尔拿到了上帝管制经典世界的法器。

我们可以用它来判断,粒子倒底服不平经典定律的管制?理论物理学家有相识决方案,剩下的事,就看实验物理学家的了。实验物理学家掂了掂公式,略一沉吟,坚决做了个决议:等。等什么?技术进步。

因为实验条件要求太高。这一等,就到了20世纪70年月。技术条件刚刚允许起步,物理学家们就迫不及待地开始了艰难的磨练。


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