大话量子力学.doc

大话量子力学如果你认为量子物理是普适的真理那你就应该相信有平行宇宙。[图片说明]：是否只有在科幻小说中我们才能生活在平行的世界里？如果一个原子可以同时出现在两个地方那么你也能。几乎我所有的同事都知道它但是却几乎没有人这正读过它。2019年为了庆祝其问世50周年修·埃弗雷特（HughEverett）博士论文的手稿被刊登在了新书《多重世界解释下的量子力学》中。我依然记得当我在伯克利研究生院后面的小书店里找到这本书的时候是多么的兴奋一直到现在我都认为这是我读过的写得的最才华横溢的书之一。当埃弗雷特在普林斯顿师从约翰·惠勒（JohnWheeler）开始他的研究生学习的时候量子力学已经在解释原子方面取得了令人晕眩的成功但是隐藏在其数学表达式背后的真正意义还备受争议。当我在普林斯顿做博士后的时候我有幸和惠勒一起讨论过量子力学但是我却未曾有机会见到埃弗雷特。量子力学认为宇宙的状态不能用经典的位置和速度来描述而是要用被称为“波函数”的数学形式。按照薛定谔方程波函数会以确定的方式随时间演化这被数学家称为“唯一性”。尽管量子力学总被认为具有内在的随机性和不确定性但是波函数随时间的演化却不具有这些特点。真正棘手的问题是如何把波函数与我们的观测相衔接。许多合理的波函数对应的却是违反常理的情况例如在同一时间既死又活处于叠加态的“薛定谔的猫”。20世纪20年代物理学家对此的解释是当有人去打开箱子一窥这只猫的死活的时候波函数就会随机“坍缩”但会留下一个确定的非死即活的经典结果。虽然这样可以解释观测但是却让量子力学显得不完整因为量子力学在数学上没有指明观测是由什么组成的以及波函数何时会坍缩。埃弗雷特的理论陈述起来很简单但是它的结果却是复杂的包括由此产生的“平行宇宙”。概括起来讲埃弗雷特认为薛定谔方程在任何时候都成立。换句话说宇宙的波函数永远不会坍缩。仅此而已没有提及平行宇宙或者是分裂的多重世界它们只是这个理论的推论而非前提。他卓越不凡的地方就在于这样一个没有坍缩的量子理论仍然可以解释观测。但是他预言描述宏观世界的波函数会渐渐演化成一个描述多重世界叠加态的波函数而观测者主观经历这一分裂得到的仅仅是有限的随机性其概率和使用波函数坍缩方法计算的结果一致。获得认同重要的科学发现一般会经历三个阶段：一开始它们会被完全忽略然后它们会猛烈地反击最后则会变得熟视无睹。埃弗雷特的理论也不例外它花了10年的时间才开始受到重视。但是这对于让学术界觉醒的埃弗雷特来说已经太晚了。埃弗雷特无坍缩的理论目前还没有进入第三阶段但是在20世纪70、80年代由于过于疯狂而被广泛忽视之后它现在渐渐获得了认同。在2019年一次量子理论会议的非正式投票中尽管有许多物理学家对此不置可否但是这一理论的得票要远高于其他的想法。我相信向上的趋势是明显的。为什么会发生这样的变化呢？我认为有几个原因。来自宇宙学暴涨和弦理论对平行宇宙的预言增加了学术界对这一古怪想法的包容性。同时新的实验显示即使在较大的系统中也会出现量子叠加态。最后退相干过程的发现解答了埃弗雷特理论中存在的关键问题。例如如果这些平行宇宙存在为什么我们没有察觉到呢？毕竟量子叠加效应不会仅仅局限在微观世界中。同时由于你也是由原子组成的如果原子在叠加态中能同时出现在两个地方那么你也应该可以。突破来自1970年迪特·泽赫（DieterZeh）的一篇开创性论文他证明薛定谔方程自身具有一种“审查”机制。这一效应被称为“退相干”在此后的几十年中沃奇克·祖瑞克（WojciechZurek）、泽赫以及其他人对此进行了仔细的研究。只有在与外界不发生作用的情况下量子叠加态才是可观测的。例如一张量子扑克牌由于其不断地与空气分子、光子以及其他粒子发生碰撞摧毁了其自身的叠加态进而变得无法观测于是它要么正面朝上要么背面朝上。退相干同时也解释了宏观物体为什么具有如此特殊的状态。科学还是哲学？在量子物理中引入随机波函数坍缩是为了解释我们为什么能观测到的概率以及为什么宏观物体不具有叠加态。在埃弗雷特提出一切都是随机的以及退相干理论解释了为什么我们不曾经历叠加态之后引入波函数坍缩就显得不是那么必要了。尽管在埃弗雷特的眼中波函数在技术上是永不坍缩的但是退相干造成的结果看上去却就像是发生了坍缩。我觉得现在是时候更新那些依然把波函数坍缩作为量子力学基本假设的教科书了。做为计算手段波函数坍缩依然具有它的使用价值但是为了避免混淆学生们应该知道这也许并不是拓展薛定谔方程的基本方式。如果一本量子力学教科书的索引中没有出现“埃弗雷特”和“退相干”那么我建议你还是另买一本更新的。50年后我们可以庆祝埃弗雷特的解释依然和观测相符但是我们还必须面对另一个问题：它是科学还是哲学？其核心是平行宇宙自身并不是一个理论而是某些理论的推论。对于一个可证伪的理论我们不需要观测和检验它的每一个预言——只要