解读《上帝掷骰子吗》8、薛定谔的猫、平行宇宙与量子自杀
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解读《上帝掷骰子吗》8、薛定谔的猫、平行宇宙与量子自杀

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上期节目我们说到,玻尔以互补原理终结了持续300多年的波粒战争。电子具有波粒二象性,至于它呈现出粒子性还是波动性,完全看我们怎么去观测它。抛开观测手段不谈,就没有什么所谓的本质可言。

波恩的概率诠释,海森堡的不确定性原理以及玻尔的互补原理完全摧毁了经典物理世界的因果律与客观实在论。

以玻尔为精神领袖的哥本哈根解释认为,一个量子系统在没有被观测之前,处于叠加态,一旦观测,它就从叠加态坍缩成我们所看到的某一纯态。

曾经是量子论创立者之一的爱因斯坦,为了捍卫经典物理的世界观,站到了量子论的对立面,频频出手对其发难。二度与玻尔在索尔维会议华山论剑,虽落下风,但他至死都始终坚信:“上帝绝不掷骰子”。

玻尔没能说服爱因斯坦,也是他晚年最为遗憾的事情,去世前一天留下的最后手稿,是爱因斯坦为了反驳他而设计的光箱实验的草图,两位科学巨人为了各自的信念奋斗了终生。

薛定谔的猫
这不仅仅只是他们两个人的争斗,而是传统物理与新物理两种世界观的争斗。不光爱因斯坦是量子论的怀疑者,还有之前我们说过的很多量子论的创立者,像是普朗克、德布罗意和薛定谔。

所以即便没有了爱因斯坦,量子论也并没有轻松多少。很快,薛定谔请出了那只令哥本哈根解释非常尴尬的猫咪。所谓薛定谔的猫,其实是他用来攻击量子论的一个思想实验。

你们哥本哈根学派不是说,在没有测量之前,一个粒子的状态是不确定的吗?处于各种可能性的叠加态对吧?

那好,现在有一个放射性原子,它有50%的可能衰变,50%的可能不衰变。只要没有观察,它就处于衰变与不衰变的叠加态。现在通过一个装置,把原子与一个毒气瓶链接。旁边还有一只可怜的猫。如果衰变了,毒气瓶就会被打碎,猫就毒死。如果不衰变,毒气瓶完好,猫咪安然无恙。

我们把这一切都放在一个不透明的箱子里,因为看不见,所以原子处在不确定的叠加态,毒气瓶有没有打碎也就是不确定的。那请问现在猫是什么状态?按照你们哥本哈根的逻辑,猫就处在一种荒谬的生与死的叠加态。半死半活的猫我们到是见得多,可是这样一只又死又活处于叠加态的猫,有谁见过吗?这在生物学上明显就是奇谈怪论。

薛定谔的这个思想实验非常巧妙,他把我们看不到的微观世界的量子效应,放大到我们的日常世界,直接与我们心爱的宠物猫咪的死活相关。

因为宏观世界是由微观世界组成,宏观世界的猫不会处在生死叠加的状态,那微观世界的粒子又怎会如此呢?

不仅如此,哥本哈根解释说一旦观测,叠加态就坍缩成我们观测到的某一纯态。“一旦观测”,这个观测怎么定义呢?人观测可以,那薛定谔的猫怎么就不能是观测者呢?动物可以的话,介于生物与非生物之间的细菌又可以吗?那人工智能去观测,又会怎么样呢?

面对这样的质疑,有位获得过诺贝尔物理学奖的大物理学家声称,只有人观测才会造成系统的坍缩,为什么?因为人是有意识的智能生物……

天呐,自然科学,这个骄傲的宇宙万物的立法者,现在竟然要把人类的意识,放到宇宙的中心。要当年哥白尼好不容易将人从宇宙中心驱逐了出去,现在怎么能让它改头换面的回来呢?

系统波函数的坍缩,竟然需要引入人类的意识才能得到合理解释,难道宇宙从粒子开始演化了138亿年,它一直都在等待一个高智能生物的意识出现,然后才坍缩成现在的样子吗?我们未免把自己看得太高了吧。

还有人说宏观世界与微观世界是不一样的,不能一概而论。那请问二者的分界线在哪里呢?我们知道十万粒沙子放在一起能称之为一个沙堆,只有一粒沙子算是沙堆吗?不算,两粒呢?三粒呢?都不算。那请问多少粒沙子落下的时候才算是一个沙堆呢?

我们根本没法清晰的画出那条分界线。

说到这里,我们似乎走上了一条歧途,与自我意识纠缠不清,这早已远离了玻尔与哥本哈根学派的本意了。

还有,如果严格按照薛定谔波动方程的演化方向,一个系统并不会从叠加态演化成纯态,也就是说坍缩并不符合量子论的基本原理。但是面对电子双缝干涉实验的结果,必须要把坍缩附着上去才能给出合理的解释。况且,也没有任何人亲眼看到所谓的叠加态长什么样子。

为了把人类意识这个令人厌烦的东西从物理学中一脚给踢开,同时还能绕开坍缩更好的解释叠加态的问题,物理学家们抛出了一个更加惊世骇俗的理论,也是我们常常在各类科幻电影中看到的:平行宇宙。

平行宇宙

多宇宙理论的创始人,埃弗莱特在1930年的双11这一天,出生在美国华盛顿。从小他就对爱因斯坦怀有深深的崇敬。在他只有12岁的时候,就给在普林斯顿的爱因斯坦写信,询问了一些关于宇宙的问题,神奇的是,爱因斯坦竟然还真的给这个小男孩回信了。

后来他也进入普林斯顿攻读物理,1954年,就在量子论方兴未艾,哥本哈根解释如日中天的时候,埃弗莱特发表了自己的多宇宙理论。

面对经典的双缝困境,电子是走左边还是右边呢?按照哥本哈根解释,不观测的时候,叠加态两边都走。观测了,波函数坍缩,随机选择通过左边或者是右边。

埃弗莱特说波函数并没有坍缩,电子左右的选择都发生了,只不过这一过程造成了两个世界,在一个世界中我们看到电子往左边走,另一个世界则往右边。

这样一来薛定谔的猫也就不成问题了。分裂出了两个世界,在一个世界中,猫一只活着,不存在生死叠加的问题。而在另一个世界呢?猫在分裂那一刻就死了,不用等到我们开箱的时候才坍缩。

宇宙自诞生以来,已经进行过无数次这样的分裂,它的数量呈几何级数增长,很快就趋于无穷。我们现在所在的这个世界,不过无数个中的某一个。在某个宇宙中,恐龙还是地球的霸主,人类根本就没有登场的机会。在某个宇宙中你是个富甲一方,位高权重的人。而在另一个宇宙里面你又是一贫如洗,颠沛流离。

历史与将来一切可能发生的事情全部都发生了,只不过他们都在另外的宇宙,与我们相互平行,不发生任何的接触,这也就是所谓的平行宇宙理论。

这个脑洞开得实在是太大了,为了一个小小的电子往左走还是往右走的问题,竟然要兴师动众的牵涉到整个宇宙分裂?用牺牲宇宙的代价来迎合电子的随机选择,未免也太不经济廉价了把?而且还产生了这么多无法观察的“平行宇宙”的废料。

或许接受哥本哈根解释那条路上的“自我意识”,都要比相信“宇宙分裂”来得容易一些。

以上这些听起来非常神奇的,关于平行宇宙奇幻的表述,严格来说都是对埃弗莱特多宇宙理论的一种误解。他自己也曾说,分裂这个词不太好,但他也没找到更好的。其实宇宙并未在物理上真的分裂,而只是一个比喻而已。

真实的宇宙只有一个,它对我们来说是一个非常高纬度的存在,它确实按照薛定谔方程不断向前演化,不会发生坍缩。而我们所能观察到的一切,都是这个真实宇宙在我们这个低纬度世界的投影。

怎么理解?比如说生活在二维平面上的人永远都无法理解三维世界的东西。三维世界的球体,投影到二维世界只是一个圆。三维世界的正方体,在二维世界仅仅只是一个正方形。二维世界所能感受到的,只是三维世界中的某一部分。

同学们想象一下,我手上拿着一个圆锥体。它投射到地板上是一个圆,投射在墙上的是一个三角形。生活在地板这个二维平面上的人眼中看到的这个圆锥体永远只会是一个圆。而生活在墙面这个二维平面上的人眼中所看到的永远就是一个三角形。他们都无法理解三位世界中的圆锥体到底是什么?

这就很像是盲人摸象,有人摸到耳朵说是扇子,有人摸到腿说是柱子,真实的大象是这些东西全部叠加在一起。

我们面对的双缝困境就是如此。真实的电子就是同时穿过了左右两条狭缝的叠加态,但是投射到我们的世界能被我们观察到的就只能是左或者右。真实的猫咪就是死和活的叠加,投射到我们的世界,能给我们看到的也就只有活着或者死的。无论是真实的电子还是真实的猫,都是高维的存在,处在低纬的我们确实是难以理解的。

高纬度的真实宇宙只有一个,它由许许多多低纬的世界构成,就正如我们的三维空间可以看成由很多二维平面构成一样,每个世界都只能感受到真实宇宙的投影。因此每个世界上的人眼中的宇宙都是不一样的。

真实宇宙的状态可以被一个总体波函数所表示,它是确定的,严格按照薛定谔方程演化。随着时间的流逝波函数变得越来越复杂,投影的世界也越来越多,薛定谔方程的每一个可能的解都对应了一种投影,因此一切可能发生的事情都在某个世界中发生了。

相比于哥本哈根解释,多宇宙理论的好处非常明显。

它最大的丰功伟绩就是把观测者的意识这个碍手碍脚的东西从物理中一脚踢开,整个宇宙严格按照波函数演化。物理学家们再也不用为“坍缩”而大伤脑筋。宇宙重新成为唯一的主宰,任何观测者都不过是它的一部分,随着它的演化被投射到各种世界之中。这一副客观的景象还是很符合大部分物理学家的传统口味的。

不仅客观实在论回归,决定论也回归了。宇宙按照薛定谔方程唯一确定的演化,薛定谔方程本身是决定性的,也就是说,只要给定某一个时刻的状态,我们就可以从正反两个方向推演,得出系统在任意时刻的状态,于是宇宙的演化自然也就是决定性的了。

量子自杀

好了,现在哥本哈根解释与多宇宙理论各执一词,那谁是真理呢?物理学家们想出了一个更加疯狂实验来检验它们两个。一个令人毛骨悚然同时又啼笑皆非的“量子自杀”实验。
这实际上是薛定谔猫的真人版。哥本哈根学派认为猫始终只有一只,处于又死又活的叠加态。而多宇宙认为猫是被投射在两个世界的有两只,一死一活,必定有一只是活猫。

现在有一位敢于为科学献身的勇士站了出来,决定代替这只猫咪。出于人道,为了减少痛苦,我们把毒气瓶换成一把手枪。如果原子衰变,手枪就砰的一生送这位朋友上路,反之,枪只会发出咔的一声空响。

这个时候,如果根据哥本哈根学派的理论,勇士有一半的可能活下来,一半的可能被射杀。如果反复开枪的话,不管运气有多好,肯定是必死无疑的。

而多宇宙理论的解释就很清新脱俗了,每次开枪都分裂出两个宇宙,必定有一个宇宙中的勇士是活下来的,当然也有中枪毙命的。但是他死掉了,那么这个宇宙对他来说就毫无意义,只有他活下来的世界对他来说才是有意义的。

因此从他本人的角度来看,无论开枪多少次,他听到的永远都是咔咔声,一直活在他活着的那个世界中,身边簇拥着一群见证者奇迹的旁观者。而在其它分裂的世界里,他早就已经尸横遍野。

听到这里同学们是不是目瞪口呆,我也是啊。

要理解多宇宙对量子自杀的解释,需要搞懂人择原理。所谓人择原理就是说,我们存在这个事实本身,就是某件事本该如此的最大的决定性因素。不管这个宇宙中有什么样的性质,它必须要让智能生物存在其中,不然就没有人会问:“宇宙为什么会是这样的?”。

“我思故我在”,关于宇宙问题的必然前提就是无论如何首先要保证有个人来问这个问题,不然就没有意义了。

举个例子,宇宙的膨胀速度恰到好处的不可思议,因为只要它膨胀的再快一点,最初的物质就会四散而飞,无法凝聚成星系和行星。如果膨胀得稍微慢一点,引力就会把所有物质都吸到一起,宇宙就是一团有着超高密度与温度大杂烩。

为了使生命的诞生成为可能,宇宙膨胀的速度要精确到什么程度呢?大约是10的55次方分之一,这是什么概念?如果你从宇宙的一头要开枪打中宇宙另一头的一只苍蝇,你们之间相隔300亿光年,这个看似绝无可能的操作所需要的精确度也不过10的30次方分之一。

是不是太惊人了?而类似这样惊人准确的宇宙常数,我们还可以举出几十个!

为什么会如此精确呢?人择原理的答案就是,必须如此,不然就不会有人来问出这个问题了。问题成立的前提条件就是要保证人类能够诞生,有人来问出这个问题。

再比如说,你是男生一定会发现一个不可思议的事实,你爸爸有儿子,你爷爷有儿子,你祖父有儿子……一直往上追溯到你的N代祖先,不管历史上是饥荒瘟疫还是兵荒马乱,他们不但都存活下来,而且还始终有儿子,这个概率是非常非常小的。如果是女生,就请往娘家那条路往上推也是一样的。

如果你说这可是一个超级奇迹,就显得非常可笑了。很明显,我们能发出这样感慨的前提是你的存在本身。虽然客观上来说一个家族N代都有儿子的概率极小,但是对你我来说的概率就是100%。

同理,我们感叹宇宙的精妙,诞生生命的概率是如此的低,但是根据人择原理,宇宙必须如此,在量子自杀中,只要我始终存在,那对我来说,量子手枪必须100%的打不出子弹,保证我活下来。

但可惜的是,就算我一直没死,验证了多宇宙解释是正确的,但这也只是对我自己一个人而言的。因为你们这些外人被投射到我一直活着的那个世界的概率几乎为0。对那个世界的我来说,我绝对可以活下来。但是因为各个世界之间无法干涉,所以即便我活下来了,我也没法跑来告诉你们多宇宙是正确的。

说到这里,我们已经走得很远很远,深陷白云深处了。就算有些内容你可能并没有完全听懂,但我丝毫不怀疑,这个光怪陆离的量子世界已经给你带来了足够的震撼!

好了,更多内容我们下期节目再聊吧。


今天的节目就是这样了,如果我有帮助到您,也希望您愿意帮助我,一个人能走多远,关键在于与谁同行,我用跨越山海的一路相伴,希望得到您用金钱的称赞。


愿生活中所有的美好都不被辜负,晓店期待您的光临。我是晓书童,我在晓书童频道与您,不见不散。



用户评论
  • 叶涩青轩

    确实太震撼啦!有意思!
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    2022-01-15 10:57
  • 略略略6669

    我也扁桃腺炎,真的很难受
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    2022-01-14 14:11
  • Rucchi_sf

    西方人与身俱来的优越感不无道理
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    2022-04-13 19:02
  • 梦溪南柯

    有点像存在即合理,存在了就是合理的,不合理的就不会存在一样。
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    2022-04-13 18:26
  • 迈克骑士

    这都成为科幻小说了,还是科学,物理学吗
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    2022-03-08 13:01
  • 顾南煦

    我还是很困惑,既然意识决定状态那么不可接受,人择原理不也差不多吗?也取决于这么人还有没有意识,他死了,这个世界就没意义了,整个世界的意义不也是系于一个人身上吗。
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    2022-03-01 08:30
  • 明天会更好_1hu

    平行宇宙虽然无懈可击,但是成功的把科学变成玄学,凡事解释不了的东西就搬出来一个虚无缥缈的东西解释一切,如果这样都可以那么神学也可以啊。
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    2022-04-09 15:39
  • 掌心_2021

    了不起的设想!
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    2022-01-10 17:52
  • 歪小歪1

    科学上一层就变成哲学
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    2022-01-10 20:24
  • kiko_9a

    妙啊,太妙了!我都听3遍了。
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    2022-04-28 18:29