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大話量子力學

來源:不詳       更新時間:2012-12-20 11:56:41
 
    如果你認為量子物理是普適的真理,那你就應該相信有平行宇宙。
  


  [圖片說明]:是否只有在科幻小說中我們才能生活在平行的世界里?如果一個原子可以同時出現在兩個地方,那么你也能。
  
  幾乎我所有的同事都知道它,但是卻幾乎沒有人這正讀過它。2007年為了慶祝其問世50周年,修·埃弗雷特(HughEverett)博士論文的手稿被刊登在了新書《多重世界解釋下的量子力學》中。我依然記得當我在伯克利研究生院后面的小書店里找到這本書的時候是多么的興奮,一直到現在我都認為這是我讀過的寫得的最才華橫溢的書之一。
  
  當埃弗雷特在普林斯頓師從約翰·惠勒(JohnWheeler)開始他的研究生學習的時候,量子力學已經在解釋原子方面取得了令人暈眩的成功,但是隱藏在其數學表達式背后的真正意義還備受爭議。當我在普林斯頓做博士后的時候,我有幸和惠勒一起討論過量子力學,但是我卻未曾有機會見到埃弗雷特。
  
  量子力學認為宇宙的狀態不能用經典的位置和速度來描述,而是要用被稱為“波函數”的數學形式。按照薛定諤方程,波函數會以確定的方式隨時間演化,這被數學家稱為“唯一性”。盡管量子力學總被認為具有內在的隨機性和不確定性,但是波函數隨時間的演化卻不具有這些特點。
  
  真正棘手的問題是如何把波函數與我們的觀測相銜接。許多合理的波函數對應的卻是違反常理的情況,例如在同一時間既死又活處于疊加態的“薛定諤的貓”。20世紀20年代,物理學家對此的解釋是,當有人去打開箱子一窺這只貓的死活的時候,波函數就會隨機“坍縮”但會留下一個確定的非死即活的經典結果。雖然這樣可以解釋觀測,但是卻讓量子力學顯得不完整,因為量子力學在數學上沒有指明觀測是由什么組成的以及波函數何時會坍縮。
  
  埃弗雷特的理論陳述起來很簡單,但是它的結果卻是復雜的,包括由此產生的“平行宇宙”。概括起來講,埃弗雷特認為薛定諤方程在任何時候都成立。換句話說,宇宙的波函數永遠不會坍縮。僅此而已,沒有提及平行宇宙或者是分裂的多重世界,它們只是這個理論的推論而非前提。他卓越不凡的地方就在于,這樣一個沒有坍縮的量子理論仍然可以解釋觀測。但是他預言,描述宏觀世界的波函數會漸漸演化成一個描述多重世界疊加態的波函數,而觀測者主觀經歷這一分裂得到的僅僅是有限的隨機性,其概率和使用波函數坍縮方法計算的結果一致。
  
  獲得認同
  
  重要的科學發現一般會經歷三個階段:一開始它們會被完全忽略,然后它們會猛烈地反擊,最后則會變得熟視無睹。埃弗雷特的理論也不例外,它花了10年的時間才開始受到重視。但是這對于讓學術界覺醒的埃弗雷特來說已經太晚了。
  
  埃弗雷特無坍縮的理論目前還沒有進入第三階段,但是在20世紀70、80年代由于過于瘋狂而被廣泛忽視之后,它現在漸漸獲得了認同。在1999年一次量子理論會議的非正式投票中,盡管有許多物理學家對此不置可否,但是這一理論的得票要遠高于其他的想法。我相信向上的趨勢是明顯的。
  
  為什么會發生這樣的變化呢?我認為有幾個原因。來自宇宙學暴漲和弦理論對平行宇宙的預言增加了學術界對這一古怪想法的包容性。同時新的實驗顯示即使在較大的系統中也會出現量子疊加態。最后,退相干過程的發現解答了埃弗雷特理論中存在的關鍵問題。
  
  例如,如果這些平行宇宙存在,為什么我們沒有察覺到呢?畢竟量子疊加效應不會僅僅局限在微觀世界中。同時,由于你也是由原子組成的,如果原子在疊加態中能同時出現在兩個地方,那么你也應該可以。
  
  突破來自1970年迪特·澤赫(DieterZeh)的一篇開創性論文,他證明薛定諤方程自身具有一種“審查”機制。這一效應被稱為“退相干”,在此后的幾十年中沃奇克·祖瑞克(WojciechZurek)、澤赫以及其他人對此進行了仔細的研究。只有在與外界不發生作用的情況下,量子疊加態才是可觀測的。例如,一張量子撲克牌由于其不斷地與空氣分子、光子以及其他粒子發生碰撞,摧毀了其自身的疊加態進而變得無法觀測,于

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