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量子一元论:可能会在基础物理学的危机中拯救物理学的灵魂

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 Connor Feng • 2019-04-30 18:39:08 来源:前瞻网 E2591G0
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阿尔伯特·爱因斯坦曾说过一句名言:“宇宙最不可理解的地方在于它是可以被理解的。”但如今,在宇宙是否可以被理解的、甚至宇宙是否是独一无二这两个问题上,我们都还远未达成共识。基础物理学正面临着一场危机,这与两个经常被引用的流行概念有关,multiverse和uglyverse这两个术语就很能说明问题。

多元宇宙(multiverse)的支持者主张可能存在有无数个其他宇宙,其中一些宇宙有着完全不同的物理和空间维度;而你,我和其他的一切东西都可能在这些无数的宇宙中存在着无数的副本。“多元宇宙可能是物理学中最危险的概念,”南非宇宙学家乔治·埃利斯(George Ellis)说。

从科学的早期开始,人们一旦发现一个不太可能的巧合,人们就会产生一种迫切的感觉地去解释这种巧合,去寻找它背后隐藏的原因。举一个现代的例子:物理学定律似乎被精心调整,以允许能够发现这些定律的智能生命存在——这一个巧合的现象就很需要解释了。

随着多元宇宙假设的出现,这种情况发生了变化:虽然这不太可能是巧合,但在组成多元宇宙的无数宇宙中,这种现象将存在于其中某个地方。如果这个巧合现象似乎有利于复杂结构、生命或意识出现的话,我们甚至不应该惊讶于发现自己身处一个允许我们存在的宇宙当中。但这种“人择推理”反过来又意味着我们无法预测更多的任何事情。对于欧洲核子研究中心的物理学家来说,寻找新粒子并没有明显的指导原则;在宇宙偶然属性的背后,也没有什么基本定律可以被发现。

另一个挑战则截然不同,但同样危险:根据理论物理学家Sabine Hossenfelder的说法,现代物理学被其对“美”的偏见引入歧途,产生了数学上非常优雅、但与任何实验无关的推测幻想,她认为物理学已经“迷失在数学中”。但是,物理学家所谓的“美”是结构和对称性,如果我们不能再依赖这些概念,那么理解,和仅仅符合实验数据的结论之间的区别就会变得模糊。

这两项挑战都有一定的道理。“为什么自然法则要关心我认为美的东西?”Hossenfelder公正地问道,答案是:它们不需要关心。当然,如果自然是属于经典力学范畴的话,它可能是复杂的、混乱的和不可理解的;但自然不是,自然是量子力学的。经典物理学是关于我们日常生活的科学,其中的对象是可分离的个体东西,但量子力学是不同的,例如,你的汽车状况与你妻子衣服的颜色无关。然而在量子力学中,曾经存在因果联系的事物会保持着相关性,爱因斯坦将其描述为“远距离的幽灵行为”,这种关联构成了结构,结构就是美。

相反,多元宇宙的假设似乎难以否认,量子力学也似乎特别钟情于它。透过两个狭缝向屏幕发射单个电子,屏幕后面的检测器上会产生干涉图样,在每种情况下,电子似乎每次都穿过两个狭缝。

量子物理学是核爆炸、智能手机和粒子碰撞背后的科学——它以其怪异而臭名昭著,比如薛定谔的猫存在于半死半活的边缘地带。在量子力学中,不同的现实(如“这里的粒子”和“那里的粒子”或“活着的猫”和“死去的猫”)可以像湖面上的波浪一样相互叠加。粒子可以处于“一半在这里,一半在那里”的“叠加”状态,而对于粒子或波来说,这种状态会产生干涉图样。

量子力学最初是用来描述微观世界的,但近年来,量子力学被证明可以用于解释越来越大的物体(如果这些物体与其周围环境的隔离程度足够高的话)。然而不知道为什么,我们在日常生活中似乎不能体验到太多这种量子奇怪现象,例如没人见过不死猫,还有只要你测量一个粒子的位置,你就会得到一个明确的结果。

一个简单的解释假设认为所有的这些可能都一一实现了,只不过是在不同的平行现实或“埃弗雷特分支”里——以休·埃弗雷特(Hugh Everett)的名字命名,因为休·埃弗雷特首次提出了这一观点,即量子力学的“多世界解释”(many worlds interpretation)。埃弗雷特的多世界解释实际上是多元世界的一个例子,这种多元世界解释的例子还有另外三种,有两个没有那么有趣,因为其中一个并不是真正的多元宇宙,只是我们宇宙中不同的区域,而另一个是基于高度投机的观点,即物质只是数学;剩下的最后一个多元宇宙理论就是“弦理论景观”,我们稍后再回来说这个观点。

通过诉诸量子力学来证明物理之美,我们似乎牺牲了宇宙的独特性。但支持这一结论的是肤浅的考虑,在这个问题上通常被忽略的是:埃弗雷特的多元宇宙并不是基本的。正如南加州大学的哲学家大卫·华莱士所坚信的那样,这些多元宇宙只是表面现象或“突现现象”。

要理解这一点,我们需要理解量子测量和“远距离幽灵行为”背后的原理。爱因斯坦,鲍里斯·波多尔斯基和纳撒尼尔·罗森在1935年指出,这两种现象背后的原理被称为“量子纠缠”:在量子力学中,由加起来等于零的两个“纠缠”旋转系统组成的一个旋转系统,也可以由一对具有相反旋转方向的旋转系统叠加组成(但每个旋转的方向并不绝对确定)。这种纠缠是自然将部分整合成整体的方式;由于强相关整体系统的利益,组成成分的个别性质不复存在。

当一个量子系统被测量或与它的环境耦合时,量子纠缠就起着至关重要的作用:量子系统、观察者和宇宙的其他部分就会相互交织在一起。从观察者的角度来看,信息被分散到未知的环境中,一个被称为“Decoherence”的过程也就开始了,Decoherence是经典力学的媒介:它描述了量子系统与其周围环境相互作用时量子特性的损失。Decoherence的作用就像打开了量子物理平行现实之间的拉链,从观察者的角度看,宇宙和她自己似乎“分裂”成独立的埃弗雷特分支。观察者可以观察到一只活猫或一只死猫,但在两者之间什么都没有。在她看来,世界是处于经典力学范围的,但从总体角度来看,世界仍然处于量子力学范围内,而其实在这个观点中,就连整个宇宙也是一个量子物体。

这就是罗格斯大学(Rutgers University)哲学家乔纳森·谢弗(Jonathan Schaffer)所倡导的“量子一元论”。谢弗仔细思考了宇宙是由什么构成的这个问题。根据量子一元论,现实的基本层并不是由粒子或弦构成的,而是宇宙本身——宇宙本身并不是一个事物总和,而是一个纠缠的量子态。

物理学家和哲学家卡尔·弗里德里希·冯·魏茨泽克(Carl Friedrich von Weizsacker)早前也表达过类似的想法:认真研究量子力学就会预料到多元宇宙背后存在着一种独特的、单一的量子现实。而宇宙微波背景的均匀性和微小温度波动也表明,我们观测到的宇宙可以追溯到一种单一的量子态,这通常与引发宇宙原始膨胀的量子场相一致。

此外,这一结论也适用于其他多元宇宙的概念,如在“弦理论景观”的不同山谷、和无限宇宙中突然出现的那些“婴儿宇宙”里出现的那些不同物理定律。而因为量子纠缠的现象是普遍的,所以它不会在我们宇宙的边界处停止。无论你拥有多少多元宇宙,当你采用量子一元论时,它们都只是一个整体的一部分:在多元宇宙中的许多宇宙中,总是存在着一个更基本的现实层面,而这个层面是独一无二的。

量子一元论和埃弗雷特的多世界解释都是量子力学的严肃预测,这些观点的区别仅仅在于其视角:从一个观察者的视角来看,宇宙似乎有很多个“宇宙”,但从一个全局的视角来看,宇宙实际上是单一的、独特的(比如从一个可以在外部看到整个宇宙的人的视角来看)。

换句话说:对于一个只有有限宇宙信息的观察者来说,多世界解释就是量子一元论的化身。事实上,埃弗雷特最初的动机就是用“宇宙波函数”来研究一个可以描述整个宇宙的量子描述。这就像你从百叶窗的一条缝往外看:大自然看起来被分割成不同的部分,但这只是你个人视角的产物而已。

量子一元论和多世界解释都是可以避免的,但只有在两种情况下才会发生;一是改变量子力学的形式体系(通常都会与爱因斯坦的狭义相对论冲突);二是认识到量子力学并不是关于自然的理论,而是知识的理论:量力力学是一个人文的概念,而不是科学。

就目前而言,量子一元论应该被视为现代物理学中的一个关键概念:它解释了为什么“美”(被理解为自然中明显独立的领域之间存在的结构、关联和对称)不是一种“欠缺考虑的美学理想状态”,而是单一量子状态自然下降的结果。此外,量子一元论还消除了多元宇宙的缺陷,因为它预测相关性不仅在一个特定的婴儿宇宙中实现,而且在多元宇宙的任何一个分支中都会实现——比如爱因斯坦-波多尔斯基-罗森状态中纠缠旋转系统的相反旋转方向。

最后,量子一元论还缓解了实验基础物理的危机,实验基础物理依赖于越来越大的对撞机来研究越来越小的自然组成成分,因为这些最小的组成成分并不是现实的基本层面。研究量子力学的基础,量子场论的新领域,或者宇宙学中最大的结构都可能同样有用。

这并不意味着每一个观察到的巧合都指向物理学的基础,也不意味着任何关于美的概念都应该在自然界中实现——但它告诉我们,我们不应该停止追求。因此,量子一元论有潜力拯救科学的灵魂,因为它相信存在一种独特的、可理解的基本现实。

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