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物理學家:“量子糾纏”正在制造無窮多的“平行宇宙”和無窮多的“你”
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2022.10.25 北京

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所以正在閱讀這篇文章的又是哪個“你”呢?

A Model of the Universe 音樂: Jóhann Jóhannsson - The Theory of Everything (Original Motion Picture Soundtrack)

一些物理學家認為,量子力學中的“波函數(shù)”可能是物理實體(意為在現(xiàn)實世界中真實存在,而非純數(shù)學表達)。如果真是這樣,那么波函數(shù)的疊加最終可能會制造出無窮多個“平行宇宙”。該如何理解這一表述呢?

量子力學認為物質有類似波的特性(物質波)。最早指出這一點的是法國物理學家路易斯·德·布羅意(Louis de Broglie)。他認為每一個亞原子粒子都有與之相對應的波,就像光同時擁有粒子和波的特性一樣。

這一點已經(jīng)被證實。實驗表明電子在被薄箔散射后所表現(xiàn)出來的特征更像波而非粒子。但物質波究竟是什么?

早期的量子物理學家如歐文·薛定諤(Erwin Schr?dinger)相信,粒子在空間中是以波的形態(tài)擴散的。他的薛定諤方程,就是用來描述波的行為的。但在許多實驗中,薛定諤的這一看法不成立。比如即便電子在空間中有波的行為特點,但它一旦抵達終點,就是單一的粒子。它無法在空間中擴散。

為了解決這一難題,物理學家們進行了所謂的“哥本哈根解釋(Copenhagen interpretation)”。這一解釋在當前占主導地位。它認為,物質的波狀特性可以用“波函數(shù)”來表示。但波函數(shù)不是物理實在,只是數(shù)學表述。它僅用來描述某個亞原子粒子可能會在何處出現(xiàn),是一片所謂的“概率云”。

但“哥本哈根解釋”依然不完美。就像薛定諤指出的那樣,它依然無法說清,為什么當我們對概率云進行觀測時,它會塌縮為一個特定值。

德·布羅意曾經(jīng)認為,波函數(shù)可能是一種物理實在,其真實性不亞于粒子本身。雖然他后來放棄了這個想法,但是后來的一些物理學家,比如休·艾弗雷特(Hugh Everett)卻和他有相同看法。

假如波函數(shù)是一種物理實在,“哥本哈根解釋”中的“測量問題”就可以得到解決,因為它避免了測量成為破壞波函數(shù)的“超特殊”過程。

所謂的測量,其實是一系列量子粒子和波函數(shù)與另外一系列量子粒子和波函數(shù)的相互作用。

例如我們制造了一臺傳感器,并向其發(fā)射一個電子。在亞原子粒子這個級別上,電子并不知道它正在被測量。它只是擊中了傳感器上的一個原子,原子沿著線路發(fā)出電信號(由更多的電子組成),組成電信號的電子與顯示器相互作用,釋放出光子,撞上我們眼中的分子。

如果波函數(shù)是物理實在,那么每個單一粒子都有自己的波函數(shù)。而所有粒子和所有波函數(shù)都會彼此影響,我們可以用量子力學工具來對它們的行為進行預測。

波函數(shù)讓量子粒子擁有一個非常有趣的特性。當兩個粒子相互影響時,它們并非硬碰硬,而是會將它們的波函數(shù)疊加在一起。

疊加后這兩個粒子將共用一個波函數(shù)。有意思的是當這兩個粒子再次分離后,它們依然共用一個波函數(shù)。這就是所謂的“量子糾纏”,愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。

此時當我們反溯所有測量步驟,就會發(fā)現(xiàn)由于波函數(shù)的疊加,發(fā)生了一系列的糾纏。電子與傳感器上的原子糾纏,原子與線路中的電子糾纏。即便是我們腦中的粒子也會與外界的粒子糾纏,以致于宇宙中的所有粒子都會相互糾纏。

每發(fā)生一次新的糾纏,我們都會得到一個可以描述所有相關粒子的單一波函數(shù)。因此假如波函數(shù)真的是物理實在,那么很明顯,宇宙作為一個整體也能用一個單一的波函數(shù)來描述。

這就是量子力學中的所謂“多世界(many worlds)”解釋。它源自人們對觀測過程的探究。在量子力學中,我們永遠也無法確知一個粒子下一步會有什么樣的行為。也許它會向上走,也許它會向下?!岸嗍澜纭苯忉屨J為,每當量子粒子與其它粒子發(fā)生相互作用,整體波函數(shù)(universal wave function)就會分裂為多個段(section),為不同的宇宙帶來不同的可能性。

而這就是所謂“多元宇宙”,或“平行宇宙”概念的出處。粒子之間的糾纏,會持續(xù)不斷地制造出一個又一個宇宙的復制品。這些宇宙基本相同,只在某些隨機的量子過程中存在微小差異。也就是說,此刻正有無數(shù)個“你”正在閱讀這篇文章,而且這些“你”大同小異,僅在某些微小的量子細節(jié)上有差異。

“多世界”解釋依然帶有很強的猜測性,在有些地方依然語焉不詳,比如它說不清波函數(shù)的分裂究竟是如何展開的。但它還是向我們展示了量子力學的強大,并為我們提供了一種有趣的新宇宙觀。

所以正在閱讀這篇文章的又是哪個你呢?

參考
'Spooky action at a distance' can lead to a multiverse. Here's how.
https://www.space.com/spooky-action-at-a-distance-create-multiverse

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