• 注册
  • 物理 物理 关注:107 内容:50

    你想知道的平行宇宙(上:量子力学视角)(2)

  • 查看作者
  • 打赏作者
  • 点击播放本文语音阅读 配音员:Aixia

    当前位置: 博科园 > 耀星会 > 物理 > 正文
    • 4
    • 物理
    • Lv.5质子中子
      笛卡尔❤️

      科普驿站  第二十九期

      主题:你想知道的平行宇宙(上:量子力学视角)

      科目:物理/宇宙学

      难度:B2

      时间:2019.11.16 

      讲师:咕咕黎

      作者:咕咕黎、重蝶子、弦轴子


      首先第一个问题,为什么我们没有感觉到观测导致这个世界分裂。原因很简单,这个世界真的没有分裂,世界确实只有一个,但是我们只是在某个投影世界中。还记得上面所说的由一个总丨ψ_0>描述的世界会因为观察者的观察行为分裂为许多同样真实的世界,它们之中每一个都对应于叠加丨ψ>的一个确定的组分吗?

      这句话是说我们这个世界是由一个总波函数去描述的,每一个观察者都和他观察的值构成一个组分,总世界的态是由各个构成组分叠加在一起的。每一个组分都是这个总波函数的投影或者分支。正如我们上面所谈到的观察者系统初始的单个波包分成了许多互相正交的波包,每一个波包都与客体系统的一个不同值相联系。每一个组分就是一个小世界,独立的小世界。独立是因为它们彼此正交。因此分裂不是真正的分裂,这些分裂的小世界,只不过是更大的世界的分支或者叠加态而已。

      每一个世界都是一个观察者和被观察对象的确定的值构成。所以这个世界根本就没有因为我们的观测行为而发生分裂,而是因为我们的观察行为,导致我们和被观察对象之间形成纠缠,而我们的宇宙,或者我们的世界,是由一个总波函数描述的。艾弗雷特将其称之为普适波函数。总世界的态是由各个构成组分(世界)叠加在一起的,换句话说一个“世界”就是普适波函数在一个经典基底上的投影,也被称作一个经典分支。每一个投影或者分支的结合本身才是我们的世界,而这个世界只有一个总包函数,也就是普适波函数去描述。无论是被观测对象还是观察者,都同样适用于这个波函数。

      回答了第一个问题,那么第二个问题也就迎刃而解了,根本就没有所谓的分裂,也就不需要所谓的能量了。

      也许到这里可能有点晦涩难懂,没关系,那我们举一个各位都了解的例子——“薛定谔的猫”来更加通俗化地表述我们上面所说的那些。

      你想知道的平行宇宙(上:量子力学视角)(2)

      (图片来源:百度)

      “薛定谔的猫”是著名的“虐猫狂魔”、“猫科克星”——薛定谔提出的思想实验。在实验中,有一只可怜的猫,被关在一个装有少量镭和氰化物的密封容器里。镭的衰变是存在几率的,如果镭发生衰变,那么会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就原地升天。如果镭不发生衰变,机关就不会触发,猫就逃过一劫。

      根据量子力学,镭处于衰变和没有衰变的叠加态。那么这只可怜的猫,也属于死和活的叠加态。(或许可以说死了,没有完全死;活了,没有完全活。)

      想要知道猫是死是活,那么我们就得打开这个容器才知道结果。这也对应了“单电子双缝实验”中对电子进行观测这一行为。

      在艾弗雷特的多世界诠释中,他指出这两只猫都是真实的,是两个世界的叠加态,有一只活猫,一只死猫,它们处于不同的世界中。该实验的问题不在于现宇宙中的镭是否衰变,而在于它是镭衰变了的宇宙和没有衰变的宇宙的叠加在一起了。

      当我们打开容器,世界就“裂了”,它分裂为它自己的两个版本,这两个版本的宇宙在其他方面都是相同的。而唯一的区别在于镭是否衰变,这一区别,就导致了“死了猫”的宇宙和“没死猫”的宇宙将完全相互独立平行地演变下去,就像是两个平行的世界。

      看到猫死了和猫死了这个结果构成了一个世界,看到猫活了和猫活了这个结果又构成另一个世界,这两个世界是叠加在一起的。

      这也就是上面所说的那样,观察者和每一个观察得到的结果都一一对应。这两个世界是总波函数的不同分支或者投影。

      说到这里,你也许会问那猫到底是活还是死?这个问题答案就是你不能这样问,因为我们已经说了,观察者和被测对象是纠缠在一起的,是不能被单独拎出来讨论的。

      正如我上面所说的那样,它们每一个态都表示客观系统已经测得客观可观测量的一个可能的值,而观察者系统则已经观察到的正好是这个值。观察者态与被观测的值的态相对应,也就是说系统的每个叠加态仍然存在,但是它们是相对于观察者存在的,反之亦然(观察者的状态也是相对于猫的状态而存在的)。

      因此,如果按照这个来回答,刚刚猫到底是活还是死?这个问题的话,那么答案就是:观察者看到猫活了和猫活了,这个态相对应,观察者看到猫死了和猫死了,这个态相对应。而猫是死是活是与观察者观察到猫活了和猫死了挂钩的,它们一起构成了各自的分支世界。

      你想知道的平行宇宙(上:量子力学视角)(2)

      (当然,上面图片的物理图像容易引起误会,让大家觉得观测真的会导致世界发生了分裂,但是只要记住上面所说的分裂只是一种表象就行了)

      艾弗雷特的这个解释,波函数始终遵循薛定谔方程,从不坍塌,它简化了基本理论。可它的问题是该设想过于离奇,像是“异想天开”。马克思·蒂格马克就这么评价多世界诠释:“这是我所读过最为才华横溢的理论之一!”

      艾佛雷特的想法很奇特,可是在那个时期,许多的理论雨后春笋般冒了出来。实验对于艾佛雷特的想法毫无帮助,在提出后的十年里,多世界诠释逐渐被人遗忘。而令人唏嘘的是它的创立者艾佛雷特也在心灰意冷下离开了物理界,直到去世,也没有回到研究领域。

      尽管如此,多世界诠释并没有真正地死亡。在上世纪,德义奇和他的学生格拉汉姆将艾弗雷特的理论发扬光大,给出了更为清晰的表述。他们认为,在测量过程中,由统一的波函数(或者说整体)所描述的世界被分裂为许多个相互不可观测但是同样真实的世界分支,每一个都对应整个系统叠加态的一个子体。在每个单独的世界子体(分支)中,一次测量只产生一次确定的结果。

      每个世界,也就是总体的子体的结果,并不相同。德义奇进一步强调“在当前接受的形式体系框架内,多世界诠释是唯一允许量子力学在宇宙学基础中起到作用的理论(或观念)。

      艾弗雷特的理论在德义奇这位物理学家的精心打扮下,变得广为人知,成功咸鱼翻身,成为了物理界大名鼎鼎的理论之一。

      退相干理论:

      1970年,海德伯格大学的汉斯·泽贺首次阐述了退相干理论。退相干是指系统波函数的各个分支的相干性被破坏,原本连续分布的波函数概率幅,在经历了“观测”后,变成了一个离散分布于某一点的δ函数(也就是狄拉克函数,这是一种分布函数)。

      我们再来举一个例子,就好比我们观察某一物体时,比如一颗星星,一棵树,一粒灰尘等等,当你不去看它的时候,它以一定概率在那儿,当你去看它的时候,它从一个不确定的状态在我们看它的那一瞬间变成了现实。

      结合了退相干后,多世界诠释如鱼得水,更具有吸引力。这是因为退相干可以解释宏观物体中常见的态,不管是水,鱼,太阳,月亮等等。这使得多世界诠释更可靠且更具有可观测性。这个理论甚至还得到了一些实验的肯定,对艾弗雷特的理论帮助很大,因为,艾弗雷特的理论也认为,任何物理系统都只遵循一个量子力学描述,不存在什么经典和量子界限,并且在观察者观察之前并不是一团概率波。退相干是一个好的救火员,它在一定程度上帮助了多世界诠释。当然它也可以帮助其它诠释。

      上世纪后期,多世界诠释如日中天,它在弦理论家,量子宇宙学家中很受欢迎。霍金,费曼,温伯格等人也都是对多世界诠释的“狂热粉丝”。在温伯格的《夸克与美洲豹》一书中,他甚至把自己描述为了“多世界诠释教”的狂信徒。不过值得注意的是,这些大牛各自坚信的多世界理论对一些概念,比如波函数物理实在以及量子力学的幺正演化等观点各不相同,都是有区别的,这里就不赘叙了。

      2001年,惠勒和蒂格马克在《科学美国人》中发表了一篇纪念量子发现一百周年的文章。文中,他们认为,退相干和最新的实验表明多世界诠释已经压过了哥本哈根诠释一头,成为了大多数物理学家都认可的量子力学的“正统解释”。

      不过虽然每个分支世界都是一个平行世界,平行宇宙,但是它们是真正的平行,因为每个都是正交的,彼此不会发生联系,更不可能去观察它们。

      说完多世界诠释下的平行宇宙,咱们来说一说其它的平行宇宙。

      可观测宇宙之外的平行宇宙:

      我们先来说可观测宇宙之外的平行宇宙。

      首先,什么是“可观测宇宙”呢?它又被称之为“哈勃体积”,是一个以观测者为中心的球体空间。

      就好比地球,那么以地球为球心,直径为930亿光年的球体,就是地球的可观测宇宙。

      如果换作是月球,那么以月球为球心,直径为930亿光年的球体,就是月球的可观测宇宙。

      在这里,可能会有些人黑人问号脸:“不是说宇宙137亿年前才诞生的么,按道理来说可观测宇宙的半径应该为137亿光年啊!?”

      宇宙诞生时间为137亿光年的确没错,我们目前观测到的宇宙微波辐射背景,正是137亿年前那场大爆炸所留下的痕迹。然而宇宙的真实半径,还是得共动说了算。

      那么,共动是什么呢?

      我们先来举一个简单的问题:假设一只可以活很久很久,甚至可以活到宇宙结局的蜗牛从一根可以无限拉长的绳子上的一端爬行。我们假设它每天爬一厘米,且这根绳子每天延长一米。

      现在,问题来了:求这只蜗牛需要多久时间才能到达这根绳子的另一端?

      答案是很久很久,就算是10^9天,也就是274万年,这只可怜的蜗牛也才爬了绳子的21.3%。而这只蜗牛想要爬到终点,则需要1.509*10^43天。

      你想知道的平行宇宙(上:量子力学视角)(2)

      很巨大的数字,但这也恰恰反映了人类对于宇宙的认识。据我们所知,宇宙是以超光速进行膨胀,无论是星系,恒星,星球都在为了球生而四处“奔波”。

      如果我们把宇宙比作一个平面直角坐标系,每个星系都是上面的每一个点。当宇宙膨胀时,两点之间的距离就会被拉大,但中心点的位置仍然不变。也就是说,在地球上人类所看见的任何天体,都是该天体发出的光“跑”到地球上使我们看到的“像”。 

      你想知道的平行宇宙(上:量子力学视角)(2)

      假设有一个距离人类一万光年的天体,当人类观测到它时,正是它一万年前的样子。而到了现在,它与地球的距离也发生了改变,不再是一万光年,可能是一万多一百光年。

      你想知道的平行宇宙(上:量子力学视角)(2)

      同理,科学家们通过一系列复杂的计算后,得出可观测宇宙的半径为460亿光年。

      现在,我们回到“视界之外”的平行宇宙上来。根据选择的球心不同,可观测宇宙也就不同。这些一个个以不同观测中心的可观的宇宙可以被当做一个个平行宇宙。

      多重平行宇宙:

      如果我们假设宇宙是无限大的,事实上,我们不用假设我们可以证明出来,我们发现我们的宇宙在大尺度上是近似平坦的,这可能意味着我们的宇宙实际上很大,而我们只是在一个可怜的小观测宇宙中。而且物质分布在大尺度上是均匀的,在我们所在的可观测宇宙之外,是不是会发生一些我们意想不到的事情?或者说——有另一个和我一模一样,正在这里敲键盘喝着红枣枸杞水的我?毕竟粒子的数目是有限的,它们组合也是有限的,所以有一定概率组合成一模一样的我们、这个可观测宇宙的一切。不过可能太过于遥远,我们不太可能会到达。这个也被称为多重平行宇宙。

      该理论中分为两部分,一个是初始条件,一个是决定初始条件怎么样演化的物理定律。目前来说,我们的宇宙和其他的宇宙的物理定律是完全相同的。但是初始条件或许不一样(一些理论认为,该初始条件或许是量子力学中的量子波动所产生的初始条件不同)。

      但若A宇宙的初始条件和现宇宙的初始条件一模一样,那么按照物理定律也一样的说法,我上面的观点也就成立了——有另一个我此时的确在敲着键盘喝着红枣枸杞水。

      经过粗略估计,得知距我们10^(10^29)米之外将会有一个和我们一模一样的人。在10^(10^91)米外,将会有一个半径100光年,且和我们周围半径100光年内完全一模一样的区域。而在10^(10^115)米之外,就会有一个和现宇宙一样的平行宇宙!

      镜像平行宇宙:

      到了这里也差不多接近尾声了,不过在结束之前,我再“稍微”说一说镜像平行宇宙:

      “镜像”,看到这个字眼,你是否会想到自己在照镜子的时候看到的与现实一模一样的镜像?甚至怀疑镜子的另一侧是不是另外的一个真实存在的镜世界?

      在物理学,曾有人提出过“镜像平行宇宙”的概念,不过只是被人认为一时的奇思妙想而已,并没有得到太多的认可和支持。

      即便是如此荒诞的理论,在2012年别列吉阿尼宣布了一篇论文,文中他叙述了瓶实验捕捉到镜像中子信号的可能性。他提出一小部分的镜像物质被带到了咱们的世界,而带电的镜像粒子产生了一个镜像的磁场,这或许会提高中子会从我们的世界穿越到镜像世界的可能性。

      看起来晦涩难懂,可实际上,该论文的主要目的,就是为了解释运动的自由中子比冷的自由中子寿命还要长的问题。

      运动中子寿命比冷中子寿命还长?开什么国际长途玩笑!?

      这还真没开玩笑。我们都知道中子衰变会释放一个电子和一个反中微子而成为质子(也就是β衰变)。同样的衰变过程在一些原子核中倒也存在,不过概率很小。原子核中的中子和质子可以通过吸收和释放π介子互相转化。

      在测量自由中子的衰变时刻,一般有两种办法:一种是用弱小磁场将一堆冷中子收束在一个瓶状的装置(严格上来说是势阱)中,静静等待,观察还剩下多少中子。最终可计算出冷中子的寿命为14分钟39秒。

      你想知道的平行宇宙(上:量子力学视角)(2)

      第二种方法是计算在一个核反应堆中,一束中子射线所呈现的质子数(因为中子衰变最终的结果是质子)。通过这种办法计算出运动中子的寿命是14分钟48秒。

      诶,明明都是同样的性质,为什么寿命都不一样呢?

      别列吉阿尼他就猜想:如果运动中子在运动途中,穿越了,穿到另外一个镜宇宙,并在那儿发生了衰变,它所衰变的质子在另外一个世界,我们就观测不到它所衰变出的质子——所以运动中子的寿命比冷中子的寿命神奇般延长了九秒。

      你想知道的平行宇宙(上:量子力学视角)(2)

      【本文为耀星会的原创作品,未经允许,禁止盗用、转载、篡改文章,否则耀星会将追究版权责任。】

      更多科普资源和答疑,请加入耀星会科普官方QQ群:433646418

      Lv.14变形虫
      VIP4
      🌼春暖花开
      打赏了1金币

      当你凝视星空的时候,群星也在注视着你。

      回复
      Lv.12细胞核
      达尔文
      打赏了1金币

      跨界认知研究者-探索人文与自然的链接

      回复
      Lv.14变形虫
      VIP4
      🌼春暖花开
      打赏了1金币

      当你凝视星空的时候,群星也在注视着你。

      回复
      Lv.0量子泡沫
      如何穿越?
      回复

      请登录之后再进行评论

      登录
      Momeng笛卡尔❤️
      关注5 粉丝66 喜欢62内容48
      安徽

      邀请好友加入【博科园】有奖励啦♪

    • 实时动态
    • 做任务
    • 偏好设置
    • 到底部
    • 帖子间隔 侧栏位置: