量子力学 多世界和多历史的区别

发布网友 发布时间：2022-04-20 08:04

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热心网友 时间：2023-10-21 00:45

1、多重历史
如果我们单纯谈论微观粒子，那么它们处于多种不确定性的叠加态，我们只能计算其概率。粒子随时间变化的历史路径，也在同时经历多重历史。但当我们关注某种复杂的特征，比如薛定谔猫的死活时，我们是在关注两族粒子的历史，一族是猫死，另一族是猫活。这时，除猫的死活特征外，两族粒子的多重历史相互抵消了，猫的死活成为确定态，猫不会经历死和活的多重历史，如果猫活，那么猫死的历史就没有发生，反之亦然。
对于所有粒子的集合（就是宇宙）来说，在一个时间段，每一个粒子都同时经历了多重历史，只是因为我们关注的问题都过于复杂和宏观，所以粒子的不确定性历史抵消了，我们看到的宏观特征都是确定的结果。当我们在实验中观察微观粒子状态，我们也只能关注某一宏观特征，如照片图形、仪表指针等，所以不确定性的多重历史相互抵消了，观测到的是确定结果。
这些不是信口一说，而是以费曼的路径积分方法为基础。费曼在上世纪40年代创立了路径积分方法，并证明了这种方法与海森堡矩阵和薛定谔方程是等效的，都是描述量子论的基本数学方法。路径积分是在时间上对粒子的所有状态求和，所以对应于粒子的多重历史路径。路径积分方法能计算某个特征对应的粒子多重历史抵消的条件，如果多重历史相互抵消了，叫退相干（decoherence），不能抵消叫相干。
我们所关注的特征分为两种，符合退相干条件的特征，所对应的历史是确定的，只有一种历史发生了。不符合退相干条件的特征，则对应着同时发生的多重历史。我们日常看到的确定历史，是建立在粒子多重历史的基础上，而其多重历史相互抵消的结果。
根据计算结果，如果要保持粒子多重历史相干（即保持不确定性的多重历史同时发生），必须是一个粒子很少的非常小的系统，人的感官所涉及的系统都太大了，只能观察到退相干的历史，不能观察到不确定的叠加态。
多重历史解释听起来比哥本哈根的“人类意识的观测使粒子不确定性坍缩”要令人信服多了，但它并不是一个唯物论的解释，它是说，宇宙是一个多重历史的叠加，因为我们关注了某一个宏观的特征，宇宙就呈现出确定性。事实上，如果我们关注不同的宏观特征，宇宙可能会呈现出不同的确定性。也就是说，宇宙的可观测状态，是由我们所要关注的宏观特征决定的。这应该不是一个支持唯物主义的观点吧？
霍金在《伟大设计》中，较详细地论述了多重历史解释，在此书中，他把科学总结成“依赖
多重历史与量子论的多重宇宙（平行宇宙）解释有什么区别？多重宇宙解释是说，量子物理过程使宇宙*，不同宇宙分别对应粒子的多种不确定性（这种*不是现实的，而是数学意义上的）。根据多重宇宙解释，符合退相关条件的不同宏观特征也都在不同的宇宙中发生了，这就涉及了我们会在哪个宇宙里的问题，当这一问题与自我的状态形成自指时，就会产生量子永生的悖论。而根据多重历史解释，符合退相干条件的不同宏观特征，其历史是确定的，只有一个发生了，其他没有发生，不会产生由于自指而引发的悖论。
多重历史解释为量子计算机的设计提供了可能。量子计算机的核心技术，就是保持计算过程中的相干性，同时在多重历史中进行运算，所以量子计算机拥有比经典计算机强大得多的运算能力。量子计算机能否实现，现在尚无定论，如果实现，应该是多重历史解释的一个很好证明。
多重历史解释出现较晚，在科普中较少提及，并没有广为人知。但比起之前的解释，它更为合理，解决了很多矛盾之处，具有更深刻含义，可能更加接近现实的图景。
2、多重世界
1970年代后期，随着人们对多世界解释的兴趣不断增长，多世界解释在弦理论家、量子引力和量子宇宙学家中最受欢迎，相信它的著名物理学家有霍金、费曼、盖尔曼和温伯格等。霍金是众所周知的多世界迷，费曼一直强调坍缩过程只能通过薛定谔方程来说明。温伯格则断言，“最终的途径是将薛定谔方程认真地当作是对测量过程的描述„„我更喜欢这种最终步骤。”在《夸克与美洲豹》一书中，他将自己描述成了多世界解释的信徒。
1985年，德义奇对多世界解释做出了进一步的澄清。德义奇首次指出了多世界解释与正统解释具有不同的实验预测，并提出一个大胆的超脑实验以检验孰是孰非。在这一实验中，人们首先制备一种具有量子记忆能力的超脑，然后观察超脑的不同记忆状态之间的干涉效应。如果多世界理论是正确的，那么将会观察到干涉现象，同时超脑也会在效果上感觉到自己的*和合并；而如果正统解释是正确的，将不会观察到干涉现象。
此外，德义奇用数目不变的世界出现差别来代替世界不断*的说法。根据他的新表述，存在一些平行的完全的世界，它们在某种确定的意义上在相同的时间和空间中存在着，尤其是，它们与我们共享同样的时间和空间。不同的平行世界是通过它们作为一个公共的物理实体的一部分而关联在一起的，物理实在就是纠缠在一起的所有世界的集合。在理论上，多平行世界是与波函数的各个“坍缩”分支相联系的，当世界面临一种量子选择时，它就*成两个不同的世界。
2001年2月，惠勒和蒂格马克在《科学美国人》上发表了一篇纪念量子发现一百周年的文章。在这篇文章中，他们认为，去相干理论和最新的实验表明，多世界解释已经取代了正统的哥本哈根解释，而成为了大多数物理学家都认可的量子力学的新的正统解释[12]。
3.2多世界解释的意义
艾弗雷特多世界理论的伟大或者说是独特之处在于它否定了波函数的坍缩，认为薛定谔方程在任何时候都会成立。而这样一个没有坍缩的量子理论仍然可以
解释观测，并预言描述宏观世界的波函数会渐渐演化成一个描述多重世界叠加态的波函数。而观测者主观经历这一*得到的仅仅是有限的随机性，其概率和使用波函数坍缩方法计算的结果一致。这样在哥本哈根一派的解释中所存在的缺点却被艾弗雷特加以利用而完成了自身理论的自洽性。艾弗雷特完成了爱因斯坦在与玻尔论战时所没有做到的工作——提出自己的理论体系。而量子力学的完备性也因为多世界理论的提出而向着进一步的完善迈出了长足的一步。
从科学史上看，量子力学基本上是沿着玻尔等人的路线发展的，并且取得了巨大成功，特别是通过贝尔不等式的检验更加巩固了它的基础。但是，我们也要看到，从爱因斯坦等人提出的EPR悖论到艾弗雷特提出多世界解释，一系列不停否定哥本哈根解释的过程实际上激发了量子力学新理论、新学派的形成和发展，使量子力学在争论中得到了更进一步的发展。