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

天空之城 2022/10/25 檢舉 我要評論

一些物理學家認為,量子力學中的「波函數」可能是物理實體(意為在現實世界中真實存在,而非純數學表達)。如果真是這樣,那麼波函數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。

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

早期的量子物理學家如歐文·薛定諤(Erwin Schrödinger)相信,粒子在空間中是以波的形態擴散的。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」來表示。但波函數不是物理實在,只是數學表述。它僅用來描述某個亞原子粒子可能會在何處出現,是一片所謂的「機率云」

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,為什麼當我們對機率云進行觀測時,它會塌縮為一個特定值。

德·布羅意曾經認為,波函數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與另外一系列量子粒子和波函數的相互作用。

例如我們制造了一台傳感器,并向其發射一個電子。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。

如果波函數是物理實在,那麼每個單一粒子都有自己的波函數。而所有粒子和所有波函數都會彼此影響,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疊加在一起。

疊加后這兩個粒子將共用一個波函數。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。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,就會發現由于波函數的疊加,發生了一系列的糾纏。電子與屏幕上的原子糾纏,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。因此假如波函數真的是物理實在,那麼很明顯,宇宙作為一個整體也能用一個單一的波函數來描述。

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麼樣的行為。也許它會向上走,也許它會向下。「多世界」解釋認為,每當量子粒子與其它粒子發生相互作用,整體波函數(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?

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