宇宙分裂
2708字
2021-03-27 21:55
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火星译客

物理学史上最激进、最重要的思想之一出自一位名不见经传的研究生,他只写了一篇论文,与大西洋彼岸的物理学家以及自己的导师发生争执,毕业后甚至没有申请教授的工作就离开了学术界。休·埃弗雷特的故事足以引人入胜,这些故事构成了量子力学的离奇历史,量子力学是我们所知道的最基本的物理理论。

20世纪50年代,埃弗雷特在普林斯顿大学攻读研究生,导师是约翰·阿齐布尔德·惠勒,而惠勒的导师是量子力学教父尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)。其实早在20多年前,玻尔和他的同学们建立了量子理论的“哥本哈根解释”。但玻尔的个人魅力和科学家们对理解原子和粒子的乐趣的渴望使哥本哈根成为正确思考的物理学家理解量子理论的唯一途径。

按照哥本哈根观点区分了微观量子系统和宏观观察者。量子系统存在于不同可能测量结果的叠加中,称为“波函数”。例如,自旋电子的波函数描述了“自旋上升”和“自旋下降”的叠加。这不仅是因为我们不知道电子的自旋,而且自旋的值在被测量之前是不存在的。相比之下,观察者遵守所有熟悉的经典物理学规则。当观测者测量一个量子系统时,这个系统的波函数突然不可预测地崩溃,显示出一些确定的自旋或任何被测量的东西。

因此,量子系统有两种完全不同的演化方式。当我们不看它们的时候,波函数会根据薛定谔方程平稳地变化,这是由Erwin Schrödinger在1926年写的。但是当我们观察它们的时候,波函数的作用方式完全不同,会崩溃成某种特定的结果。

如果这看起来不令人满意,什么才是衡量标准呢?是什么让观察者如此特别?如果我是由遵循量子力学规则的原子组成的,难道我自己不应该遵循量子力学规则吗?然而,哥本哈根方法被奉为传统智慧,到20世纪50年代,质疑它被认为有些无礼。

但埃弗雷特并不介意。他的这个远见的想法,现在被称为量子力学的多世界公式,可以追溯到1954年他与年轻的物理学家同行查尔斯·米斯纳(也是惠勒的学生)和阿格·彼得森(波尔的助手,从哥本哈根来访)的一次深夜讨论。所有的人都同意在那个场合喝了大量的雪利酒。

在惠勒的指导下,埃弗雷特开始思考量子宇宙学:将整个宇宙作为一个量子系统来研究。显然,他认为,如果我们要从量子的角度来讨论宇宙,我们就不能开辟出一个单独的经典领域。宇宙的每个部分都必须根据量子力学的规则来处理,包括在其中的观察者。只有一个量子态,用埃弗雷特所谓的“普世波函数”来描述。

如果一切都是量子的,宇宙是用单一波函数来描述的,那么测量应该如何发生呢?埃弗雷特推断,当宇宙的一部分以某种适当的方式与另一部分相互作用时,就一定是这样。他注意到,这是会自动发生的事情,仅仅是由于根据薛定谔方程,宇宙波函数的演化。我们根本不需要调用任何特殊的测量规则;事物总是相互碰撞。

假设我们有一个自旋的电子,上下叠加。我们还有一个测量仪器,根据埃弗雷特的说法,它本身就是一个量子系统。想象一下,它可以是三种不同可能性的叠加:它可以测量到自旋向上,它可以测量到自旋向下,或者它可能还没有测量到自旋,我们称之为“就绪”状态。

世界已经“分裂”成这两种可能性的叠加

测量仪器的工作告诉我们,组合自旋+仪器系统的量子态是如何按照薛定谔方程演化的。也就是说,如果我们从仪器处于就绪状态开始,电子处于纯自旋上升状态,我们可以保证仪器演化到纯测量上升状态,如下所示:

左边的初始状态可以理解为“电子处于向上状态,设备处于就绪状态”,而右边的初始状态(指针指示向上箭头)是“电子处于向上状态,设备已测量到它处于向上状态”。

同样,成功测量纯向下旋转的能力意味着仪器必须从“准备就绪”进化到“可测量向下”:

当然,我们想要的是,理解当初始自旋不是处于纯粹的向上或向下状态,而是处于两者的某种叠加状态时,会发生什么。好消息是我们已经知道了我们需要的一切。量子力学的规则很清楚:如果你知道系统是如何从两个不同的状态开始演化的,那么这两个状态叠加的演化将只是这两个演化的叠加。换句话说,从某个叠加的自旋开始,测量装置处于就绪状态,我们有:

最后的状态现在是纠缠叠加:自旋向上,它被测量为向上,加上自旋向下,它被测量为向下。如果我们所做的只是根据薛定谔方程进行演化,这就是组合自旋+装置系统的清晰、明确、确定的最终波函数。世界已经“分支”为这两种可能性的叠加。

埃弗雷特的见解既简单又聪明:接受薛定谔方程。最终叠加的这两部分实际上都在那里。但它们不能相互作用;一个分支中发生的事情对另一个分支中发生的事情没有影响。它们应该被看作是独立的、同样真实的世界。

这就是埃弗雷特量子力学的秘密。我们没有把世界放进去,它们总是在那里,薛定谔方程不可避免地把它们带到生活中。问题是,在我们的世界经验中,我们似乎从来没有遇到过涉及大的宏观物体的叠加。

传统的补救办法是以这样或那样的方式来模仿量子力学的基本规则。哥本哈根方法首先不允许将测量仪器作为量子系统来处理,而将波函数崩溃作为量子态演化的一种单独方式来处理。正如埃弗雷特后来所说:“哥本哈根的解释是无可救药的不完整的,因为它先验地依赖于经典物理学……同时也是一个哲学上的怪物,对宏观世界有一个“现实”的概念,而对微观世界则持否定态度。”

量子力学的多世界公式一劳永逸地消除了关于测量过程和波函数崩溃的任何秘密。关于观测,我们不需要特别的规则:所发生的一切就是波函数按照薛定谔方程不断地前进。什么构成“测量”或“观察者”没有什么特别之处——测量是任何导致量子系统与环境纠缠的相互作用,从而产生一个分支进入不同的世界,而观察者是任何导致这种相互作用的系统。尤其是意识,与此无关。“观察者”可以是蚯蚓、显微镜或岩石。宏观系统甚至没有什么特别之处,除了它们会情不自禁地与环境相互作用并与环境纠缠在一起。我们为量子动力学如此强大而简单的统一所付出的代价是大量不同的世界。

埃弗雷特的理论是对玻尔画作的直接攻击,他喜欢用生动的语言来说明这种攻击

即使在理论物理学中,人们有时也会很幸运,偶然发现一个重要的想法更多的是因为他们在正确的时间在正确的地点,而不是因为他们特别聪明。埃弗雷特的情况并非如此;那些认识他的人都一致地证明了他不可思议的智力天赋,从他的著作中可以清楚地看出,他对自己思想的含义有着透彻的理解。如果他还活着,他在现代量子力学基础的讨论中会非常自在。

困难的是让别人欣赏他的想法,包括他的导师。惠勒个人非常支持埃弗雷特,但他也献身于自己的导师玻尔,并深信哥本哈根方法的基本合理性。同时,他也希望埃弗雷特的想法能得到广泛的关注,并确保它们不会被解释为对玻尔量子力学思维方式的直接攻击。

然而,埃弗雷特的理论是对玻尔的直接攻击。埃弗雷特自己也知道这一点,他喜欢用生动的语言来说明这次袭击的性质。在他的论文的早期草稿中,他用阿米巴分裂的类比来说明波函数的分支:

我们无法想象一个有着良好记忆力的智能变形虫。随着时间的推移,变形虫不断分裂,每次分裂产生的变形虫都与母体有着相同的记忆。因此,我们的变形虫没有生命线,而是生命树。

惠勒被这个(相当准确的)比喻的明目张胆吓倒了,在手稿的空白处潦草写道:“分裂?导师和学生们一直在为表达新理论的最佳方式争论不休,惠勒主张谨慎和谨慎,而埃弗雷特则主张大胆的清晰。

1956年,当埃弗雷特正在完成他的论文时,惠勒访问了哥本哈根,并向玻尔和他的同事们,包括彼得森提出了新的设想。不管怎样,他试图提出它;到了这个时候,波函数崩溃了,不要问那些令人尴尬的问题——量子理论学派究竟是如何变为传统智慧的,而那些接受它的人在有那么多有趣的应用工作要做的时候,对重新审视基础并不感兴趣。惠勒、埃弗雷特和彼得森的信件在大西洋上来回飞来飞去,惠勒回到普林斯顿后继续写信,帮助埃弗雷特起草了论文的最终形式。它省略了埃弗雷特最初撰写的许多有趣的部分,包括概率论和信息论基础的检查,以及量子测量问题的概述,而不是集中在量子宇宙学的应用。(在发表的论文中没有发现变形虫,但埃弗雷特确实在一个脚注中插入了“分裂”一词,而惠勒并没有注意到这一点。)

但埃弗雷特决定不再继续学术斗争。在完成博士学位之前,他接受了美国国防部武器系统评估小组的工作,在那里他研究了核武器的影响。他将继续从事战略、博弈论和优化方面的研究,并在创办几家新公司方面发挥了作用。目前还不清楚埃弗雷特有意识地决定不申请教授职位,是出于对其新贵新理论的批评,还是仅仅出于对学术界普遍的不耐烦。

然而,他确实对量子力学保持着兴趣,即使他再也没有发表过这方面的文章。在他攻读博士学位并已经在五角大楼工作之后,惠勒说服埃弗雷特亲自访问哥本哈根,并与玻尔和其他人交谈。这次访问并不顺利;后来埃弗雷特判断这次访问“从一开始就注定要失败”。

美国物理学家布莱斯·德维特(Bryce DeWitt)曾在埃弗雷特的论文发表地编辑过一本杂志,他给他写了一封信,抱怨现实世界显然没有“分支”,因为我们从来没有经历过这样的事情。埃弗雷特回答时提到了哥白尼同样大胆的观点,即地球绕着太阳转,而不是相反:“我忍不住要问:你感觉到地球的运动了吗?”德维特不得不承认这是一个相当不错的回答。

经过一段时间的深思熟虑,到1970年,德维特已经成为一个热情的埃弗雷特人。他花了很大的精力推动这一默默无闻的理论获得更大的公众认可。他的策略包括1970年在《今日物理学》上发表了一篇有影响力的文章,1973年又发表了一篇论文集,最终收录了埃弗雷特论文的长篇版本,以及一些评论。这个集合被简单地称为量子力学的多世界解释,这个生动的名字从那时起就一直存在。

大概大自然不是这样工作的,它只是量子从一开始

1976年,惠勒从普林斯顿大学退休,到德克萨斯大学任职,德维特也是该校的教员。1977年,他们一起组织了一个关于多世界理论的研讨会,惠勒诱使埃弗雷特从他的辩护工作中请假参加。这次会议很成功,埃弗雷特给在场的物理学家们留下了深刻的印象。惠勒甚至提议在圣巴巴拉建立一个新的研究机构,埃弗雷特可以在那里继续全职研究量子力学,但最终一无所获。

埃弗雷特于1982年死于突发性心脏病,享年51岁。他过着不健康的生活方式,过度沉溺于饮食、吸烟和饮酒。他的儿子马克奥利弗埃弗雷特(谁将继续组建鳗鱼乐队)说,他本来是不满他的父亲没有更好地照顾自己。后来他改变了主意:

我意识到我父亲的生活方式有一定的价值。他随心所欲地吃、抽、喝,有一天他突然很快就死了。考虑到我亲眼目睹的其他一些选择,事实证明,享受自己然后很快死去并不是一条很难的路。

但物理学并没有忘记他;如果说有什么的话,埃弗雷特的想法比以往任何时候都更相关。他对量子宇宙学的理解走在时代的前面,但现代物理学在理解如何调和引力和量子理论方面取得了缓慢而稳定的进展。埃弗雷特是对的;一旦整个宇宙成为你的研究对象,为一个经典的观察者开辟一个特别的地方就没有多大意义了。

在我自己的研究中,我甚至走得更远,认为对量子引力的探索正被物理学家的传统策略所阻碍,即采用经典理论(如爱因斯坦的广义相对论)并将其“量化”。大概大自然不是这样工作的,它只是量子从一开始。相反,我们应该从一个纯粹的量子波函数开始,问我们是否能精确定位其中的单个“世界”,它们看起来像广义相对论的弯曲时空。初步结果是有希望的,突现几何被定义为波函数不同部分之间的量子纠缠量。不要量化重力;在量子力学中寻找重力。

这种方法非常自然地符合多世界的观点,而在量子基础的其他方法中没有多大意义。尼尔斯·波尔可能在20世纪的公关竞赛中获胜,但休·埃弗雷特似乎准备在21世纪领先。

这是肖恩•卡罗尔编辑的“隐藏的东西:量子世界和时空的出现”摘录,由杜登出版社出版,企鹅出版集团的印记,企鹅兰登书屋有限责任公司的一个部门,企鹅兰登书屋有限责任公司的一个部门。版权所有©2019由肖恩•卡罗尔。

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