物理学家：量子纠缠正在制造无穷多的平行宇宙和无穷多的你

廖万里3年前 (2022-10-28)文章115622

所以正在阅读这篇文章的又是哪个“你”呢？

一些物理学家认为，量子力学中的“波函数”可能是物理实体（意为在现实世界中真实存在，而非纯数学表达）。如果真是这样，那么波函数的叠加最终可能会制造出无穷多个“平行宇宙”。该如何理解这一表述呢？

量子力学认为物质有类似波的特性（物质波）。最早指出这一点的是法国物理学家路易斯·德·布罗意（Louis de Broglie）。他认为每一个亚原子粒子都有与之相对应的波，就像光同时拥有粒子和波的特性一样。

这一点已经被证实。实验表明电子在被薄箔散射后所表现出来的特征更像波而非粒子。但物质波究竟是什么？

早期的量子物理学家如欧文·薛定谔（Erwin Schrödinger）相信，粒子在空间中是以波的形态扩散的。他的薛定谔方程，就是用来描述波的行为的。但在许多实验中，薛定谔的这一看法不成立。比如即便电子在空间中有波的行为特点，但它一旦抵达终点，就是单一的粒子。它无法在空间中扩散。

为了解决这一难题，物理学家们进行了所谓的“哥本哈根解释（Copenhagen interpretation）”。这一解释在当前占主导地位。它认为，物质的波状特性可以用“波函数”来表示。但波函数不是物理实在，只是数学表述。它仅用来描述某个亚原子粒子可能会在何处出现，是一片所谓的“概率云”。

但“哥本哈根解释”依然不完美。就像薛定谔指出的那样，它依然无法说清，为什么当我们对概率云进行观测时，它会塌缩为一个特定值。

德·布罗意曾经认为，波函数可能是一种物理实在，其真实性不亚于粒子本身。虽然他后来放弃了这个想法，但是后来的一些物理学家，比如休·艾弗雷特（Hugh Everett）却和他有相同看法。

假如波函数是一种物理实在，“哥本哈根解释”中的“测量问题”就可以得到解决，因为它避免了测量成为破坏波函数的“超特殊”过程。

所谓的测量，其实是一系列量子粒子和波函数与另外一系列量子粒子和波函数的相互作用。

例如我们制造了一台传感器，并向其发射一个电子。在亚原子粒子这个级别上，电子并不知道它正在被测量。它只是击中了传感器上的一个原子，原子沿着线路发出电信号（由更多的电子组成），组成电信号的电子与显示器相互作用，释放出光子，撞上我们眼中的分子。

如果波函数是物理实在，那么每个单一粒子都有自己的波函数。而所有粒子和所有波函数都会彼此影响，我们可以用量子力学工具来对它们的行为进行预测。

波函数让量子粒子拥有一个非常有趣的特性。当两个粒子相互影响时，它们并非硬碰硬，而是会将它们的波函数叠加在一起。

叠加后这两个粒子将共用一个波函数。有意思的是当这两个粒子再次分离后，它们依然共用一个波函数。这就是所谓的“量子纠缠”，爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。

此时当我们反溯所有测量步骤，就会发现由于波函数的叠加，发生了一系列的纠缠。电子与屏幕上的原子纠缠，原子与线路中的电子纠缠。即便是我们脑中的粒子也会与外界的粒子纠缠，以致于宇宙中的所有粒子都会相互纠缠。

每发生一次新的纠缠，我们都会得到一个可以描述所有相关粒子的单一波函数。因此假如波函数真的是物理实在，那么很明显，宇宙作为一个整体也能用一个单一的波函数来描述。

这就是量子力学中的所谓“多世界（many worlds）”解释。它源自人们对观测过程的探究。在量子力学中，我们永远也无法确知一个粒子下一步会有什么样的行为。也许它会向上走，也许它会向下。“多世界”解释认为，每当量子粒子与其它粒子发生相互作用，整体波函数（universal wave function）就会分裂为多个段（section），为不同的宇宙带来不同的可能性。

而这就是所谓“多元宇宙”，或“平行宇宙”概念的出处。粒子之间的纠缠，会持续不断地制造出一个又一个宇宙的复制品。这些宇宙基本相同，只在某些随机的量子过程中存在微小差异。也就是说，此刻正有无数个“你”正在阅读这篇文章，而且这些“你”大同小异，仅在某些微小的量子细节上有差异。

“多世界”解释依然带有很强的猜测性，在有些地方依然语焉不详，比如它说不清波函数的分裂究竟是如何展开的。但它还是向我们展示了量子力学的强大，并为我们提供了一种有趣的新宇宙观。