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量子力學框架中的多世界解釋

針對薛定諤的貓思想實驗,科學家進行多種驗證,1996年,美國國家標準與技術學院科學家成功實現了單原子(鈹)級相干實驗,設定兩個相干態的波包模擬處于即死又活的貓

(神秘的地球uux.cn)騰訊科學:美國量子物理學家休·埃弗雷特提出的多世界詮釋被認為屬于第三類平行宇宙,從量子力學的角度看,此類平行宇宙發生的每一個事件都會產生無數個可能性事件的宇宙,在埃弗雷特看來,在測量過程中,初始狀態波函數所存在的宇宙“分裂”成許多個相互不可觀測的,卻又同樣真實的宇宙分支,每一次測量只會產生一個結果,各個分支宇宙中的結果顯然是不同的。由埃弗雷特首次的EWG詮釋就是在尋求量子力學體系的內在解釋,觀察者是孤立系統的內在組分,也是波函數的描述對象。

2001年,美國賓夕法尼亞大學教授Max Tegmark在紀念量子發現一百周年時發表了一篇文章,他認為根據退相干理論以及最新的實驗表明多世界詮釋可以取代正統的哥本哈根解釋,是量子力學的最新詮釋。多世界詮釋一共經歷了三個發展階段:第一,1957年埃弗雷特發表了《量子力學的相關態解釋》;第二,1973年《量子力學多世界解釋》和1999年《心與世界的量子力學》;第三,2007年在牛津大學舉行的埃弗雷特50年之量子力學解釋會議。

由埃弗雷特首創的量子力學多世界解釋(EWG理論)需要在數學體系的指導下形成詮釋,這就要求EWG理論要消除經典觀察者,對此,埃弗雷特導入了兩個基礎假設,第一個是復雜性假設,該理論認為世界是足夠復雜的,可以分解成單一的系統;第二個是純波動力學,可提供數學模型給予支持。在多世界理論中,觀測者被認為是孤立系統與其他子系統之間相互作用“連接系統”,而無數個“可能性”世界并非抽象的,而是與我們所處世界擁有相同的真實性和客觀性,德威特曾經評價過“世界分裂”的觀點,他認為由于無數系統之間的相互作用導致了宇宙正在不斷地分裂出令人驚訝的“分支”,每一個分支都對應著一個與我們宇宙極為相似的時空。

從宇宙學的角度上看,多世界解釋闡釋了量子測量過程中形成的波包坍縮,對此,埃弗雷特重新給出了量子力學的相關態的表述,并認為所有的孤立系統演化都遵循著薛定諤方程,而波函數是不發生坍縮的。在復合系統疊加態中,每一個觀察者都可以感知到一個確定的結果,波函數的坍縮看似是在一個主觀水平上發生,但是觀測者只感知到一個確定的結果。1970年,海德伯格大學科學家首次闡述了退相干理論,該理論解釋了系統波函數之間各分支相干性破壞,當測量儀器與觀測者相互作用之后,就會出現退相干過程。

多世界解釋中提到“分裂”一詞,這個說法被逐漸用平行并完全的世界來取代,這些無數衍生出來的平行宇宙在相同的時間和空間中并存,按照多世界理論的解釋,實驗觀測可以形成無數平行宇宙,比如其中一個平行宇宙中的實驗對象依然存活,另一個平行宇宙中的實驗對象已經死亡,此類最著名的案例為薛定諤的貓實驗,這個思想實驗揭示了量子力學世界中的神奇一面,薛定諤將輻射原子的可能衰變與一只貓的命運聯系起來,由于輻射原子可能衰變也可能不衰變,因此這只貓就處于即死又活的狀態中。

埃弗雷特認為宇宙間的相互疊加在波函數確定之前就存在無數種可能性,它們之間是相互平行的,觀察者的出現并不是讓發生的概率出現變化,而是從無數種可能性空間中選擇了一種,就如同無數波函數疊加態一樣,由此形成的平行宇宙數量是非常可觀的,估計的數字為10的100次方個。針對薛定諤的貓思想實驗,科學家進行多種驗證,1996年,美國國家標準與技術學院科學家成功實現了單原子(鈹)級相干實驗,設定兩個相干態的波包模擬處于即死又活的貓。2000年,紐約州立大學石溪分校研究小組運用一個無耗散效應的超導環成功模擬“死貓”和“活貓”的疊加態。

薛定諤的貓作為一個微觀與宏觀的糾纏態,將微觀原子的衰變與不衰變狀態與宏觀貓的死活狀態相聯系,其對于理解量子力學中量子態的非定域性十分重要,此外,對于理解量子測量中瞬間波包坍縮也是非常有幫助的。在現實生活中,退相干效應的存在,在量子與經典物理介質過渡的領域,量子物理學則還原為經典物理。

在2007年,埃弗雷特50年量子力學解釋的國際會議上,科學家認為多世界解釋并不違背哥本哈根解釋,只是從一個不同于哥本哈根解釋的角度與完善量子宇宙。2007年,科學家在研究宇宙微波背景輻射(CMB)信號時發現了巨大的宇宙冷斑,暗示了我們的宇宙之外還存在平行宇宙,根據最新計算結果,平行宇宙或處于其他維度的時空中,彼此相距為1毫米。

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