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什么是量子力学的多世界理论?
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什么是量子力学的多世界理论?

照片:Kelly Sikkema / Outplash。

量子物理学很奇怪。至少,我们对我们来说是奇怪的,因为量子世界的规则,这适用于世界在原子和亚杀菌粒子水平上工作的方式(光明和物质的行为,因为着名的物理学家Richard Feynman Put),不是我们熟悉的规则 - 我们称之为“常识”的规则。

大部分在20世纪20年代末确立的量子规则似乎在告诉我们,一只猫可以同时活着和死去,而一个粒子可以同时出现在两个地方。但令许多物理学家(更不用说普通人了)感到痛苦的是,没有人(无论是当时还是之后)能够对正在发生的事情给出一个常识性的解释。当然,更有思想的物理学家已经通过其他方式寻求慰藉,即想出各种或多或少绝望的补救办法来“解释”量子世界正在发生的事情。

这些补救措施是慰借的,称为“解释”。在方程的水平,这些解释都没有比任何其他方式更好,尽管口译员和他们的追随者将各自告诉你自己有利的解释是真正的信仰,以及所有遵循其他信仰的人都是异教徒。另一方面,在数学上讲,没有任何解释比其他人更糟糕。最重要的是,这意味着我们缺少一些东西。有一天,可能发现世界上的光荣新描述,这使得与现在的量子理论相同的预测,也是有意义的。好吧,至少我们可以希望。

与此同时,我想我可能会提供一个不可知论的概述,对一个更丰富多彩的假设,多世界,或多个宇宙,理论。至于其他五种主要解释的概述,请参阅我的书,六个不可能的事情我想你会发现,与常识相比,所有的人都是疯狂的,有些人甚至比其他人更疯狂。但在这个世界上,疯狂并不一定就错了,越疯狂也不一定就越错。

如果你听说过“多世界解读”(MWI),你很可能会认为它是由美国人休·埃弗雷特(Hugh Everett)在20世纪50年代中期发明的。在某种程度上,这是真的。这个主意确实是他自己想出来的。但他不知道欧文Schrödinger在五年前也有过本质上相同的想法。埃弗雷特的版本更数学,Schrödinger的版本更哲学,但关键的一点是,他们都希望摆脱“波函数的坍塌”的想法,而且他们都成功了。

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正如Schrödinger曾经向任何愿意倾听的人指出的那样,方程(包括他著名的波动方程)中没有关于坍塌的任何内容。这就是玻尔在理论上“解释”的东西,为什么我们只能看到一个实验结果——一只死猫还是一只活猫——而不是一种混合,一种状态的叠加。但是,因为我们只检测到一个结果——波函数的一个解——这并不意味着替代解不存在。在他1952年发表的一篇论文中,Schrödinger指出,仅仅因为我们看到了量子叠加就期望它崩溃是荒谬的。他写道,波函数应该“以两种完全不同的方式控制,有时是由波动方程控制,但偶尔是由观察者的直接干涉,而不是由波动方程控制”,这“显然是荒谬的”。

欧文薛定谔。图片:诺贝尔基金会/维基共享,CC BY-SA

尽管Schrödinger自己并没有把自己的想法应用到这只著名的猫身上,但它巧妙地解决了这个难题。更新他的术语,有两个平行的宇宙,或者说是世界,猫在其中一个世界里生活,在另一个世界里死亡。在一个宇宙中,当盒子被打开时,一只死猫出现了。在另一个宇宙,有一只活猫。但总有两个世界是完全相同的,直到那个邪恶的装置决定了猫的命运。没有波函数的坍缩。1952年,他在都柏林(当时他的总部所在地)做了一次演讲,Schrödinger预料到了同事们的反应。他强调,当他的同名方程似乎描述了不同的可能性(它们“不是替代方案,但实际上都是同时发生的”)时,他说:

几乎(量子理论家)宣称的每一个结果都是关于这个、那个或那个……发生的概率——通常有很多选择。他们可能不是替代方案,但所有事情都同时发生,这种想法在他看来是疯狂的,根本不可能。他认为,如果大自然的法则以这种形式出现,让我说,一刻钟后,我们就会发现我们周围的环境迅速变成一个泥潭,或者是一种毫无特色的果冻或等离子体,所有的轮廓都变得模糊,我们自己很可能变成水母。真奇怪,他竟然相信这一点。因为据我所知,他承认未被观察到的自然确实是这样运作的——即根据波动方程。上述的选择只有在我们进行观察时才会起作用——当然,这并不需要科学的观察。尽管如此,根据量子理论,似乎只有通过我们的感知或观察才能阻止自然快速凝结……这是一个奇怪的决定。

事实上,没有人回应Schrödinger的想法。它被忽视,被遗忘,被认为是不可能的。所以埃弗雷特完全独立地开发了他自己的MWI版本,只是几乎被完全忽视了。但是,是埃弗雷特提出了宇宙在面对量子选择时“分裂”成不同版本的想法,这让人们困惑了几十年。

这是惠夫·埃弗里特(Hugh Everett)在面对量子选择时介绍了宇宙“分裂”的思想,几十年来泥泞的水域。

埃弗雷特于1955年提出了这个想法,当时他是普林斯顿的博士学位。在他想法的原始版本中,在他的论文草案中制定了,这些论文当时没有发表,他将这种情况与Amoeba分成了两个女儿细胞。如果Amoebas患了大脑,每个女儿会记得一个相同的历史,直到分裂点,然后有自己的个人记忆。在熟悉的猫类比中,我们有一个宇宙和一只猫,在恶魔兵经被触发之前,然后是两个宇宙,每个宇宙都有自己的猫,等等。Everett’s PhD supervisor, John Wheeler, encouraged him to develop a mathematical description of his idea for his thesis, and for a paper published in the Reviews of Modern Physics in 1957, but along the way, the amoeba analogy was dropped and did not appear in print until later. But Everett did point out that since no observer would ever be aware of the existence of the other worlds, to claim that they cannot be there because we cannot see them is no more valid than claiming that the Earth cannot be orbiting around the Sun because we cannot feel the movement.

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埃弗雷特本人从未推广MWI的想法。甚至在他完成博士学位之前,他接受了邀请的工作在五角大楼在武器系统评估小组的应用数学技术(无辜题为博弈论)秘密冷战问题(他的工作是非常秘密的,它仍然是机密),从学术雷达基本上消失了。直到20世纪60年代末,北卡罗莱纳大学的布莱斯·德威特(Bryce DeWitt)才开始接受并大力推广这一观点,他写道:“每一颗恒星、每一个星系、每一个遥远的宇宙角落里发生的每一个量子跃迁,都在把地球上的这个世界分裂成无数个自己的副本。”这个太多了惠勒,他放弃了他原来MWI背书,在1970年代,说:“我不情愿地不得不放弃支持最后的观点——因为我怕它携带大量负载的形而上学的行李。”具有讽刺意味的是,就在那一刻,这个想法通过宇宙学和量子计算的应用得到了复兴和转变。

“在宇宙的每一个偏远角落都在每个星系中都在每个星星中发生的每一个量子过渡都是将我们当地的世界分成了自己的本身副本。”

即使是人不愿意全心全意,解释的权力也开始受到赞赏。John Bell指出,“当然与世界繁殖的人,任何特定分支机构的人都会在那个分支中遇到的事情,”勉强承认它可能有什么:

“许多世界解释”在我看来,一个奢侈,高于奢侈的模糊的假设。我几乎可以把它视为愚蠢。然而......它可能有一些与“爱因斯坦Podolsky rosen拼图”说出的东西,我认为是值得的,制定一些精确的版本,看看这是否真的。所有可能的世界的存在可能会让我们对自己的世界存在更加舒适......这似乎是在某种程度上是一个非常不可能的人。

MWI的精确版本来自牛津大学的大卫·多伊奇(David Deutsch),他实际上为Schrödinger版本的MWI概念奠定了坚实的基础,尽管当他阐述自己的解释时,多伊奇并不知道Schrödinger的版本。20世纪70年代,多伊奇与德威特合作,1977年,他在德威特组织的一次会议上遇到了埃弗雷特——这是埃弗雷特唯一一次向大量观众介绍他的想法。相信MWI理解量子世界的正确方式,Deutsch成为量子计算领域的先驱,不是通过任何电脑感兴趣,而是因为他相信存在一个工作证明的量子计算机MWI的现实。

这就是我们回到Schrödinger想法的一个版本。在埃弗雷特版本的猫谜题中,只有一只猫,直到设备被触发。然后整个宇宙一分为二。同样,正如德威特所指出的,在遥远的星系中,一个电子面临两个(或更多)量子路径的选择,会导致整个宇宙(包括我们自己)分裂。在Deutsch-Schrödinger版本中,有无限多种宇宙(一个多元宇宙)对应于量子波函数的所有可能解。就猫的实验而言,有许多完全相同的宇宙,在这些宇宙中,完全相同的实验者建造了完全相同的邪恶装置。这些宇宙是完全相同的直到装置被触发。然后,在一些宇宙中,猫死了,在一些宇宙中,猫活着,随后的历史也相应地不同。但平行世界永远无法相互沟通。他们可以吗?

约翰·格里宾
六件不可能的事:量子世界的奥秘
麻省理工学院出版社,2019年

Deutsch认为,当量子过程强制两种或更多以前相同的宇宙时,如在具有两个孔的实验中,宇宙之间存在暂时干扰,因为它们的发展变得抑制。这种相互作用导致观察结果的实验​​结果。他的梦想是看到智能量子机的建造 - 一种计算机 - 将监测涉及其“大脑的干扰的量子现象。利用一个相当微妙的论点,Deutsch声称智能量子计算机将能够记住暂时存在于平行现实中的经验。这远非是一个实际的实验。但除了德国也有一个更简单的“验证”的存在。

量子计算机与传统计算机在性质上的不同之处在于,它内部的“开关”存在于多个态的叠加中。传统的计算机是由一组开关(电路中的单元)组成的,这些开关可以是开的,也可以是关的,对应于数字1或0。这使得通过操纵二进制代码中的数字串来进行计算成为可能。每个开关被称为一个位,位越多,计算机的功能就越强大。8位构成一个字节,而今天的计算机内存是以数十亿字节来衡量的——Gb。严格地说,因为我们处理的是二进制数据,所以1g是230字节,但这通常被视为读取。然而,量子计算机中的每一个开关都是一个可以处于叠加态的实体。这些通常是原子,但你可以把它们想象成电子,要么自旋向上,要么自旋向下。不同的是,在叠加中,它们同时自旋向上和向下- 0和1。每一个开关被称为qbit,发音为cubit。

利用一个相当微妙的论点,Deutsch声称智能量子计算机将能够记住暂时存在于平行现实中的经验。

由于这种量子特性,每个量子比特相当于两个比特。乍一看,这并不令人印象深刻,但它是。例如,如果你有三个量子位,它们可以以八种方式排列:000、001、010、011、100、101、110、111。这种叠加包含了所有这些可能性。所以3个量子比特并不等于6个比特(2 × 3),而是等于8个比特(2的3次方)。相等的比特数总是2的qbits的次方。10个量子比特相当于210位,实际上是1024位,但通常被称为千比特。像这样的指数会迅速失控。一台只有300个量子比特的计算机相当于一台普通计算机,其比特数比可观测宇宙中的原子数还多。这样的计算机怎么能进行计算呢?这个问题更加紧迫,因为简单的量子计算机,包括几个量子比特,已经建成,并显示工作如预期。 They really are more powerful than conventional computers with the same number of bits.

Deutsch的回答是,计算是在每个平行宇宙中,在与叠加相对应的相同的计算机上同时进行的。对于一台3个量子比特的计算机来说,这意味着八个计算机科学家用相同的计算机研究同一个问题来得到答案。他们应该以这种方式“合作”,这是不足为奇的,因为实验者是相同的,有相同的原因来解决相同的问题。这不难想象。但是当我们建造一台300量子比特的机器时——这肯定会发生——如果Deutsch是对的,我们将涉及更多宇宙之间的“合作”,比我们可见的宇宙中原子的数量还要多。这是一个选择的问题,你是否认为这是一个巨大的形而上学包袱。但如果你这样做了,你将需要一些其他的方法来解释为什么量子计算机工作。

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大多数量子计算机科学家宁愿不去思考这些影响。但有一群科学家习惯于在早餐前想到超过六件不可能的事情——宇宙学家。他们中的一些人拥护“多世界解释”,认为这是解释宇宙本身存在的最好方法。

他们的跳跃点是Schrödinger指出的事实,方程式中没有任何内容,参考波函数的崩溃。他们确实意思是波浪功能;只有一个,将整个世界描述为各国的叠加 - 由宇宙叠加组成的多层。

一些宇宙学家使许多世界的解释作为解释宇宙本身存在的最佳方式。

埃弗雷特博士论文(后来修改并缩短了Wheeler建议)的第一个版本实际上是“通用波浪函数的理论”。并通过“普遍”,他意味着字面意思,说:

由于状态函数描述的普遍有效性被断言,人们可以将状态函数本身视为基本实体,甚至可以考虑整个宇宙的状态函数。从这个意义上说,这个理论可以被称为“普世波函数”的理论,因为所有的物理学都被假定仅从这个函数出发。

...目前目的“州功能”是“波函数”的另一个名称。“所有物理学”意味着一切,包括美国 - 物理术语中的“观察者”。宇宙学家对此感到兴奋,不是因为它们包含在波函数中,而是因为这种情况下,未经污染的波函数是唯一可以在量子机械术语中描述整个宇宙的唯一方式,同时仍然与一般兼容相对论理论。在1957年公布的本文的简短版本中,埃弗雷特得出结论,他对量子力学的制定“因此可以证明一般相对论量化的富有成效的框架。”虽然这个梦想尚未实现,但自20世纪80年代中期以来,它鼓励了宇宙学家的大量工作,当他们锁定了这个想法。但它确实带来了很多行李。

通用波函数在特定时刻描述宇宙中的每个粒子的位置。但它还描述了那些瞬间这些颗粒的每个可能的位置。它还描述了每个颗粒在任何其他时间内的每个可能的位置,尽管可能性的数量受到空间和时间的量子粒度的限制。在这个可能的宇宙中,将会有许多版本,其中稳定的恒星和行星以及人们生活在那些行星上的人。但是至少有一些宇宙类似于我们自己,或多或少的准确性,以经常在科幻故事中描绘的方式。或者,确实在其他小说中。Deutsch指出,根据MWI,任何在虚构的工作中描述的世界,就是它遵守物理法,真的确实存在于多个人的某个地方。例如,真的有一个“丧失高度”世界(但不是“哈利波特”世界)。

这不是它的结尾。单波函数在所有可能的时间内描述了所有可能的宇宙。但它没有说什么都没有从一个州改为另一个国家。时间没有流动。距离家乡靠近,称为国家向量的埃弗雷特的参数包括我们存在的世界的描述,以及从我们的回忆到化石的所有记录都存在于从遥远的星系到达我们的光线。除了“时间步骤”已经通过,说,一秒钟(或一小时或一年),也会有另一个宇宙。

但没有任何建议,任何宇宙从一次逐步移动到另一个宇宙。在这个第二宇宙中将有一个“Me”,由通用波函数描述,谁拥有我在第一即时的所有存储器,以及对应于另一个第二(或一年或其他人)的那些。但是不可能说这些版本的“我”是同一个人。可以根据他们描述的事件来订购不同的时间状态,定义过去和未来之间的差异,但它们不会从一个状态变为另一个状态。所有国家都存在。时间,在我们习惯于思考它的方式,在埃弗里特的MWI中没有“流动”。

约翰·格里宾是英国苏塞克斯大学天文学客座研究员,著有《天文学》搜索Schrödinger的猫宇宙:传记六个不可能的事情本文从中摘录。

文章已被重新发布麻省理工学院出版社读者

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