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量子力学框架中的多世界解释与薛定谔的猫

量子力学框架中的多世界解释与薛定谔的猫

针对薛定谔的猫思想实验,科学家进行多种验证,1996年,美国国家标准与技术学院科学家成功实现了单原子(铍)级相干实验,设定两个相干态的波包模拟处于即死又活的猫

腾讯科学(Everett)美国量子物理学家休·埃弗雷特提出的多世界诠释被认为属于第三类平行宇宙,从量子力学的角度看,此类平行宇宙发生的每一个事件都会产生无数个可能性事件的宇宙,在埃弗雷特看来,在测量过程中,初始状态波函数所存在的宇宙“分裂”成许多个相互不可观测的,却又同样真实的宇宙分支,每一次测量只会产生一个结果,各个分支宇宙中的结果显然是不同的。由埃弗雷特首次的EWG诠释就是在寻求量子力学体系的内在解释,观察者是孤立系统的内在组分,也是波函数的描述对象。

2001年,美国宾夕法尼亚大学教授Max Tegmark在纪念量子发现一百周年时发表了一篇文章,他认为根据退相干理论以及最新的实验表明多世界诠释可以取代正统的哥本哈根解释,是量子力学的最新诠释。多世界诠释一共经历了三个发展阶段:第一,1957年埃弗雷特发表了《量子力学的相关态解释》;第二,1973年《量子力学多世界解释》和1999年《心与世界的量子力学》;第三,2007年在牛津大学举行的埃弗雷特50年之量子力学解释会议。

由埃弗雷特首创的量子力学多世界解释(EWG理论)需要在数学体系的指导下形成诠释,这就要求EWG理论要消除经典观察者,对此,埃弗雷特导入了两个基础假设,第一个是复杂性假设,该理论认为世界是足够复杂的,可以分解成单一的系统;第二个是纯波动力学,可提供数学模型给予支持。在多世界理论中,观测者被认为是孤立系统与其他子系统之间相互作用“连接系统”,而无数个“可能性”世界并非抽象的,而是与我们所处世界拥有相同的真实性和客观性,德威特曾经评价过“世界分裂”的观点,他认为由于无数系统之间的相互作用导致了宇宙正在不断地分裂出令人惊讶的“分支”,每一个分支都对应着一个与我们宇宙极为相似的时空。

从宇宙学的角度上看,多世界解释阐释了量子测量过程中形成的波包坍缩,对此,埃弗雷特重新给出了量子力学的相关态的表述,并认为所有的孤立系统演化都遵循着薛定谔方程,而波函数是不发生坍缩的。在复合系统叠加态中,每一个观察者都可以感知到一个确定的结果,波函数的坍缩看似是在一个主观水平上发生,但是观测者只感知到一个确定的结果。1970年,海德伯格大学科学家首次阐述了退相干理论,该理论解释了系统波函数之间各分支相干性破坏,当测量仪器与观测者相互作用之后,就会出现退相干过程。

多世界解释中提到“分裂”一词,这个说法被逐渐用平行并完全的世界来取代,这些无数衍生出来的平行宇宙在相同的时间和空间中并存,按照多世界理论的解释,实验观测可以形成无数平行宇宙,比如其中一个平行宇宙中的实验对象依然存活,另一个平行宇宙中的实验对象已经死亡,此类最著名的案例为薛定谔的猫实验,这个思想实验揭示了量子力学世界中的神奇一面,薛定谔将辐射原子的可能衰变与一只猫的命运联系起来,由于辐射原子可能衰变也可能不衰变,因此这只猫就处于即死又活的状态中。

埃弗雷特认为宇宙间的相互叠加在波函数确定之前就存在无数种可能性,它们之间是相互平行的,观察者的出现并不是让发生的概率出现变化,而是从无数种可能性空间中选择了一种,就如同无数波函数叠加态一样,由此形成的平行宇宙数量是非常可观的,估计的数字为10的100次方个。针对薛定谔的猫思想实验,科学家进行多种验证,1996年,美国国家标准与技术学院科学家成功实现了单原子(铍)级相干实验,设定两个相干态的波包模拟处于即死又活的猫。2000年,纽约州立大学石溪分校研究小组运用一个无耗散效应的超导环成功模拟“死猫”和“活猫”的叠加态。

薛定谔的猫作为一个微观与宏观的纠缠态,将微观原子的衰变与不衰变状态与宏观猫的死活状态相联系,其对于理解量子力学中量子态的非定域性十分重要,此外,对于理解量子测量中瞬间波包坍缩也是非常有帮助的。在现实生活中,退相干效应的存在,在量子与经典物理介质过渡的领域,量子物理学则还原为经典物理。

在2007年,埃弗雷特50年量子力学解释的国际会议上,科学家认为多世界解释并不违背哥本哈根解释,只是从一个不同于哥本哈根解释的角度与完善量子宇宙。2007年,科学家在研究宇宙微波背景辐射(CMB)信号时发现了巨大的宇宙冷斑,暗示了我们的宇宙之外还存在平行宇宙,根据最新计算结果,平行宇宙或处于其他维度的时空中,彼此相距为1毫米。

[责任编辑:quarkqiao]
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