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量子平行世界:如此严厉的科学理论,你却以为仅仅个科幻噱头?

admin 2019-05-11 311人围观 ,发现0个评论

往期回忆

平行国际:科幻仍是科学?(一):从影子说起

平行国际:科幻仍是科学?(二):粒子与波

平行国际:科幻仍是科学?(三):双缝试验

平行国际:科幻仍是科学?(四):波粒二象性

平行国际:科幻仍是科学?(五):哥本哈根

平行国际:科幻仍是科学?(六):怎样也测禁绝?不确定性原理

平行国际:科幻仍是科学?(七):实在仍是虚幻?概率波

平行国际:科幻仍是科学?(八):横看成岭侧成峰——互补原理

番外篇:量子力学名人堂

平行国际:科幻仍是科学?(九):敞开平行国际之门

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正告:本文极度烧脑,前方全程高能。赤壁怀古不适者请在半途当令退出。



平行国际的理论是如此魔幻而奥妙,连最具有幻想力的小朋友也忍不住深深堕入困惑。是的,哥本哈根关于坍缩这个进程没有给出很让人满意的解说,所以平行国际一上来就说,底子不是坍缩,而是国际割裂了。这样形似能够很好的绕过了坍缩这个难以了解的进程,可是这样真的好吗?

为了一个小小的电子,从左面曩昔仍是右边曩昔,要牵涉到整个国际割裂来合作,会不会太小题大做?坍缩是难以了解,但平行国际就好了解了吗?最多也便是不相上下,说不定还更因小失大呢,因为价值太大了:许多多个时刻生成许多多个国际,还有许多多个你和我的复制,存在却又永久无法知道。


奥卡姆剃刀:如无必要,勿增实体


存在却又永久无法知道。

- 小朋友,我这儿有一件美丽的新衣服,但它是一件隐形的、看不到的衣服。

- 那我能摸到吗?

- 摸不到的。

- 那我用水泼呢?

- 它会透过水。

- 那我用火烧呢?

- 也烧不到的。

- 那我用显微镜查询呢?

- 它也查询不到。

- 用热成像仪、X射线、核磁共振查询呢?

- 都查询不到的。总归,这件新衣服,不管用什么手法,都查询不到。

- 那……这跟彻底没有这件衣服,有什么差异呢?

存在却又永久无法知道——那跟没有又有什么差异呢


皇帝的新衣


------------回到幼儿园情节的分隔线------------

听完清洁阿姨对平行国际扣人心弦的介绍之后,小朋友似懂非懂地眨了眨眼睛:“我如同懂了,又如同不理解。我大约能跟上它的思路;但我的问题是,这天方夜谭似的描绘,真的归于一种科学解说吗?”

“这儿面有一点误解,美丽的误解。”一个沉厚的男声响起。小朋友回身一看,是黑脸保安叔叔。

“很快乐你这么小年岁就有科学思想。平行国际理论——咱们今后叫多国际诠释吧——是一个科学的解说。前面所说的那种有点荒谬的描绘不彻底是它的本意。但很显然地,这种说法很投合群众的猎奇口味,一起也能幻想的到,它会十分地受科幻作家的欢迎。因而撒播广泛。

多国际诠释开宗明义地就说:一个孤立体系,将会严厉地、接连地依照它的波函数演化下去。这儿提到的波函数便是薛定谔方程

其实,多国际诠释才不是什么天马行空的臆想呢。相反地,它是严厉运用数学东西遵从量子力学体系揣度出来的科学的、谨慎的定论。


薛定谔方程是描绘微观粒子的状况怎样随时刻演化的微分方程。若给定了初始条件和鸿沟的条件,就能够解出波函数

回想一下咱们在第七篇概率波里头讲晃动绳子的公式,那便是一个波函数(链接:平行国际:科幻仍是科学?(七):实在仍是虚幻?概率波)。它便是以数学的办法描绘绳子上的质点是怎样跟着时刻改变的。所谓跟着时刻改变,意思便是说指定一个时刻,不管是在曩昔或许将来,都能够依据这个公式来算出绳子上指定的某一点,它那时的状况怎样:是向上运动仍是向下运动,运动到多远的当地。



同样地,薛定谔方程也是做这个工作,只不过它的波函数输出是一个概率算了。


薛定谔方程


多国际诠释说的便是:不管是一个电子,仍是咱们在查询这个电子时引进了的仪器,还有咱们查询者自身,这么一大堆粒子所组成的一个体系,理论上都应该遵从、并且能经过薛定谔方程来算出体系怎样演化。最终核算得到的成果便是粒子经过了左缝仍是右缝,测验仪器是左面的响仍是右边响,然后再加上查询者的脑袋反响出来的,电子经过左面或许经过右边的这个感知。



这儿边还得稍稍严厉一点:这件工作还有必要包括整个试验室,整座城市,整个地球,太阳等等这个国际上的悉数粒子。为什么呢?别忘了,多国际诠释开宗明义地就说,一个孤立体系。这是一个重要而又简单被疏忽的条件。所谓孤立体系,便是跟外界没有发生物质或能量交流的体系。哪里才有这样的一个体系?只要国际自身。其他都不算孤立体系,都不满意孤立体系的条件。所以量子进程有必要考虑整个国际的悉数粒子是怎样一起演化的。工作略微变得复杂了些,不过还好,跟本来的差异也不会太大。这是因为尽管引进整个国际,但大部分的粒子都是无关的、打酱油的。对演化进程有要害影响的,其实仍是试验室里面的那么一小撮粒子。

大自然不是孤立体系

这便是真实的多国际诠释了。它是安分守己地以量子理论为根底,经过数学核算得出的成果。没有什么想入非非的东西。

反倒是哥本哈根学派的坍缩解说才古怪。一个体系的粒子依照薛定谔方程来演化,是不能够得到啪的一声,坍缩成了一个点的这样一个成果的。

那多国际诠释为啥跟国际割裂扯上联络,是不是形似也能了解了。

科学家描绘国际需求用到两种描绘言语。一种叫做数学描绘,一种叫做物理描绘。运用数学言语准确无歧义地描绘一个理论以及其演化进程便是数学描绘。而物理描绘则是把笼统的数学公式翻译成日常言语。它解说理论中的数学符号对应的实际实质。

比方说小朋友跑步,就能够用s=vt这样的一个公式来描绘。这便是数学描绘。而用物理描绘,s便是小朋友跑过的间隔,v便是他的速度,t是他跑了的时刻。

同样地,关于许多粒子的体系的演化进程,在数学上用薛定谔方程来描绘。但因为量子力学的复杂性与荒诞性,假如用物理描绘,它就变成了国际割裂、平行国际的姿态。

在牛顿年代,像s=vt,F=ma等,数学与物理两种描绘根本上是相同的。它们是很直观、很朴素的对应联系。但到了量子力学量子平行世界:如此严厉的科学理论,你却以为仅仅个科幻噱头?,它研讨的方针现已远远超出了人类的直接感触规模。它公式中的数学符号,与咱们日常感知的事物现已很难对得上。因而两种描绘会变得彻底不同。

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在咱们日子的三维空间,一个点能够用(x,y,z)来表明,别离代表它在三个独立维度上的坐标。假如考虑点的运动,还需求一组数字(m,n,p)来表明它的动量,对应它在三个维度上的重量。因而描绘一个粒子就需求(x,y,z)和(m,n,p)两组坐标。

幻想一下四维空间(留意不是四维时空):除了前后、左右、上下三个独立的方向之外,还有一个独立的方向。能幻想出来吗?恐怕有难度。不过,在数学上表明四维空间却很简单:(x,y,z,m)。这样便是四维空间中的一个点。多加一个字母罢了。

同理,五维空间便是(x,y,z,m,n),六维空间便是(x,y,z,m,n,p)。

在三维空间中描绘一个点的运动,量子平行世界:如此严厉的科学理论,你却以为仅仅个科幻噱头?咱们能够把两组坐标合在一起变成一个,便是(x,y,z,m,n,p)。这样一个粒子就能够用六维空间的一个点来表明。

假如一个体系有2个粒子,每个粒子由六维空间中的一个坐标来表明,则需求两个这样的坐标,总共12个数。同样地,咱们把12个数合起来表明它们。因而描绘这个两粒子体系能够用12维空间的一个点来表明。

这样做的含义在于,任何时分,描绘一个点的运动,总要比描绘N个点的运动要便利得多,哪怕这一个点地点的空间维度要高得多。

关于一个体系——一滴水、一棵树或许一个人——有极端巨大数量的粒子,比放说是N个吧,则能够经过6N维空间的一个点来描绘。当然这个6N维度,肯定是十分高。一个电子,加上测验仪器,加上查询者,这样的一个体系粒子数目大约是10^27个。能够幻想,多高维度的一个点才干描绘这样一个体系。

正如前面所言,真实的孤立体系只要一个:国际自身。国际自身也是能够由一个波函数来描绘的。国际包括十分多的粒子,因而要描绘国际的波函数,它的维度空间必定十分十分的高,高到难以幻想。

高维空间

正如一个电子是经过左缝和经过右缝两种状况的叠加,猫是生和死的两种状况的叠加相同,这个浩大无比的国际波函数,也是有许许多多的子部分所组成的叠加。这些子部分互不干与,相互正交。它们每一个都对应于动摇方程的一个解。而从它们的角度上感知的国际,正是国际整体波函数在它们地点的空间上的投影

投影

(图注:想象一类日子在二维空间的二维人。当他们以一种办法查询的时分得到圆形,以另一种办法查询的时分得到方形的时分,他们适当不了解:怎样那么怪异?一个东西既是圆的,又是方的?他们的科学很有或许发展出这样一套定论:圆方二象性。这跟波粒二象性何其相像!低维度解说不了的工作,放高维度看或许有启示。)

一个电子的维度较低,因而能够感知不同国际的干与。但由电子连带查询仪器,查询者自身乃至还有整个国际来构成的体系的波函数的维度就要高得多。如此高的维度使得它跟其他空间相互笔直,在其他空间没有投影,感觉就像是“执行了查询行为之后国际割裂了并且割裂了的平行国际相互无法感知”。换一种说法,假如一个概率波的规模影响不到别的一个概率波且反之亦然的话,那每个波都以为其他波现已消失了。这便是所谓的退相干(Decoherence)。

退相干

多国际诠释在量子理论中许多的诠释中仍是比较受欢迎的。因为它尽管看上去如同有点荒谬不经,但正如咱们前面描绘,它实质上是严厉、决议、接连地依照波函数的办法演化的理论。比起其他解说,它反而回归到科学家们比较喜爱的传统的决议论式的办法上来。

在一些不定期的科学界的随机查询中,多国际诠释的支持者越来越多。有报道说它是现在最受欢迎的量子力学的解说。研讨弦论、国际学等范畴的科学家会比较偏心于它。固然,有必要要认识到它还有许多待商讨的当地。因而也有不少人对这个理论彻底不伤风,乃至持清晰对立定见。这个如此脑洞大开、特立独行、另辟蹊径的理论,大约就像一位极具特性的网红,有多少人喜爱,就有多少人不喜爱。

不过,请别忘了,咱们还有许多关于量子现象的科学解说(链接:平行国际:科幻仍是科学?(九):敞开平行国际之门)。仅仅这些解说各有所长,也各自或多或少地存在一些缺乏。现在还没有哪个彻底被悉数人认可。

科学家关于了解量子现象的实质现在采纳的战略是:置诸不睬。已然量子现象是如此的难以了解,那咱们就先暂时不了解。尽管量子力学奥义还有待揭开,可是就它自身而言却是一套完好的科学理论,有十分齐备的数学根底和试验支撑。尽管咱们不知道它的实质是什么,可是它对试验成果的预言却是前所未有地准确。所以咱们就不去管它是个what,咱们知道how去运用它就行。

费曼:量子实质?Shut up and calculate! —— 闭上嘴,只管算就好

那么,量子力学有什么用?听说现代经济中根据量子理论的产品总值现已占全球经济总量的三分之一。我随意举些比如:电脑、手机、电视机、数码相机以及悉数以半导体、集成电路为根底的电子产品;X光机,核磁共振等医疗器械;激光、LED、闪存、硬盘、原子钟、GPS、太阳能电池、荧光资料、纳米技术、以及将来的量子核算机、量子通讯等等等等。或许你会惊奇于量子理论本来是如此地靠近咱们的日子。其实也不古怪,量子力学是研讨物质根本构成的理论,悉数存在以此为根底,要是说它毫无用处,那才值得古怪。“

根据量子理论的产品总值占全球经济总量的三分之一


黑脸保安叔叔总算说完了。

还在小朋友入迷之际,他回身离开了。

小朋友忽然好像想起了什么,在死后大声问:“叔叔,你到底是谁?”

他没有回头:“休埃弗雷特。”

“那清洁阿姨呢?”

他笑着回头了,却是清洁阿姨的面庞:“I am Hugh Everett too, in another parallel universe.”


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玻尔:假如你没有被量子力学深深震慑到,那阐明你还没有理解它。

If quantum mechanics hasn't profoundly shocked you, you haven't understood it yet.

N量子平行世界:如此严厉的科学理论,你却以为仅仅个科幻噱头?iels Bohr


费曼:假如一个人说他彻底懂得了量子力学,那他其实还没懂。

If you think you understand quantum mechanics, you don't understand quantum mechanics.

Richard Feynman


埃弗雷特:多国际诠释是仅有一个能畅通领悟一致地解说量子力学和宏观国际的办法。

The Many-worlds interpretation is the only completely coherent approach to explaining both the contents of quantum mechanics and the appearance of the world.

Hugh Everett III


休埃弗雷特三世(1930-1982),美国物理学家,平行国际的祖师爷,多国际诠释的提出者


------------回到实际的分隔线------------


好了,好了,好了。

关于平行国际理论,我现已无法说再多了。要去真实弄懂它,或许要和态矢量、希尔伯特空间等艰深概念和各种数学东西打交道。或许要等你们十几年后上了大学,就会接触到。或许到了那个时分,会有更多的关于量子力学的解说。或许到时分现已不再需求解说,人类现已解开量子的悉数奥妙。



小朋友们吱吱喳喳地嚷起来了。

“要十几年后才上大学?这么久,不或许。“

”我妈给我设定的方针是中咳大少年班!”

“我爸给我设定的方针是门萨沙龙最年青会员!”

“我现在每天学10个英文单词,今后科技前沿,尽在把握!”

“嗤,我每个月读5本英语书,现在外语书本阅览量现已是150本!”

“我250!”

“……”

------------ 最终的分隔线 ------------


或许因为这一篇故事过于冗长,听故事的孩子们不知在什么时分现已睡着了。故事里面小朋友的喧嚣,他们是听不见的了。夜已深,窗外高高挂着一轮明月。爱因斯坦的那个疑问念念不忘:莫非我不看月亮,月亮就会充满在国际中吗?

你说呢?




(本系列完)

因为作者水平有限,讹夺在所难免。敬请海涵,不吝指正。



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