量子力学的解释是观察者的一切-量子客
一些关于量子物理的非小说类书籍。

被要求就不同寻常的话题发表意见是一件伟大的事情,将一个话题放在通常范围之外的话题有时会导致从一个新的角度看待熟悉的话题。当你这样做的时候,有时你会注意到之前你并没有真正想过的东西之间的联系。这发生在一周前,当我想到观察者对量子物理的重要性时,即使在你通常不认为它们如此重要的地方,也是如此。

最近的原因是我被邀请在滑铁卢大学量子计算研究所就“量子小说:物理和文学的纠缠”发表演讲,作为他们的“纠缠”系列讲座的一部分在物理学和其他领域之间建立联系。如果他们在将来的某个时候发布视频,我可以在这里发布更多关于这个的帖子。我的做法是对量子测量问题提供一个适度详细的解释,然后列出两个解释正在发生的主要解释:哥本哈根和多世界的解释。其中的每一个都引入了一些想法,直接作为小说的故事提示,或者为故事和文学技巧提供了更为分散的哲学启发。

当我在比较两者时,让我感到震惊的是,在这两种解释中,观察员都扮演着重要的角色。这是哥本哈根主义的一个众所周知的特征(历史上它是一个更为棘手的问题......),但我之前并没有真正地想过“多世界”。把这两个人放在一起讨论,让我有了平行跳跃,我发现它很有趣,值得一篇博文。

量子力学的解释是观察者的一切-量子客
量子物理书籍与骰子。

与讨论量子解释一样,前面值得注意的是,这些解释大约有很多版本,因为有人仔细考虑过它们。任何博客文章或公开演讲都不会对所有这些事情做出正确的判断,因此接下来的内容将是我对这些事情的特别关注。为了讲述关于这件事的半连贯故事,我将完全跳过一些方法。

在所有情况下,最根本的问题是当你测量时,真正发生的事情。量子物理学的数学仪器让我们计算出特定实验结果的概率,通过多次重复实验,可以证实这些概率是高精度的。然而,这并不意味着我们可以毫无疑问地预测单个实验的结果,这是一种哲学问题,多年来困扰着许多物理学家。感觉好像有一个缺失的步骤:我们预测许多可能的结果的可能性,但实际上我们只发现一个结果,而把你从许多可能性中带到一个单一现实的过程是神秘的。对量子物理学的解释试图填补这一空白。

量子力学的解释是观察者的一切-量子客
由于观察者的行为导致的波函数崩溃的例证

“哥本哈根解释”是量子物理最古老和最着名的解释之一,也是所谓的“崩溃”解释的一个例子。这组理论认为,测量量子系统状态的行为会导致波函数的真实变化。系统状态从不确定状态“崩溃”,波函数散布在多种可能的结果上,达到一个确定的单一现实。

在更极端的变体中,这种观察行为与意识联系在一起。这种思路的更具诗意的插图之一来自John Wheeler(一个聪明的人,往往似乎离kookery只有一步之遥),他喜欢用宇宙大爆炸来说明宇宙的历史。一个是我们,另一个是我们,这张照片是宇宙被创造和发展的一种不确定的量子方式,直到它创造出足够的复杂性来创造观察者,他们可以回顾这一进化并创造出一个连贯的历史。宇宙观察自己的存在,这是许多人认为深刻的想法。

(虽然这对我们来说通常看起来很讨人喜欢,因为在小说中对这一切负有集体责任的观察者并不一定是好事。对这个想法最好的虚构处理可能是格雷格·伊根(Greg Egan)的《隔离》(隔离),因为量子外星人已经把地球包裹起来,以保护他们的现实不受我们的崩溃感的影响。

因此,在哥本哈根的情况下,观察员的中心地位是非常明显的——从某种意义上说,观察员负责创造他们所观察到的现实。更现代的处理方法可以去除一些woo-woo方面的一些东西——用数学术语来说,你可以证明,“崩溃”过程中的很大一部分可以通过被考虑的系统的庞大规模来解释,而不需要调用意识。这让你从一个奇怪的,不确定的量子态中得到了一个系统占据了很多潜在的状态,在一个更经典的概率分布中系统在一个状态,你不知道是哪个。然而,找出你实际观察到的单一现实仍然是个问题。

然而,哥本哈根的方法对许多物理学家来说并不令人满意,因为它涉及到一个单一的现实的崩溃,这需要偏离管理这些系统的正常规则。我们有一套很好的规则来管理量子系统在时间上的变化,但是在测量的过程中,这些规则被暂时的暂停,取而代之的是…其他的东西,将系统带入单一的测量结果。这种系统规则的不连续性使许多人产生了错误的想法,这导致了许多寻找替代方案的努力。

最简单的替代方法来自普林斯顿的一名学生,他与Wheeler Hugh Everett III一起工作,他认为实际上没有必要改变规则。你可以简单地让宇宙随时随地按照通常的规则继续演化,所有事物都处于量子叠加的时代。在这幅图中,每一个可能的结果都存在于宇宙波函数的某个地方,但是这些不同的结果是彼此不可访问的,在不同的宇宙中是有效存在的。这让埃弗里特的解释变得引人注目,名字叫“多世界”,由普林斯顿大学的同事布莱斯德威特(Bryce DeWitt)提供。

多世界从哥本哈根图片中消除了神奇般的崩溃过程,因此可能完全消除观察者。相反,观察者仍然扮演着重要的角色,但是在哥本哈根的解释中,观察者在某种意义上说是通过他们的行为改变了系统的状态,而“多世界”则让观察者界定了他们的“独立的宇宙”通过被拉进不断扩大的纠缠态。

量子力学的解释是观察者的一切-量子客
在“多世界解读”中,观察者被描绘成纠结叠加的插图

最简单的方法是通过臭名昭著的薛定谔猫思想实验,猫关在盒子里,有50%的几率杀死它。在哥本哈根的图片中,盒子里的猫处于一个不确定的状态,直到实验者打开盒子检查结果,然后它就会崩溃到一个单一的状态,要么完全活着,要么完全死亡。

在多世界的版本中,这只猫同时存活和死亡,但是实验人员的状态与猫的状态纠缠在一起。实验最初是在一个不知道结果的情况下进行的,但是打开盒子的时候,它进入了一个超级的位置,知道猫已经死了,并且知道猫还活着。这些状态与猫的状态是相关的,所以它们会被缠结在一起。有一个波函数描述了一只活猫和一个快乐的科学家,他知道猫还活着,还有一篇文章描述了一只死猫和一个悲伤的科学家与动物福利办公室进行了长时间的对话。

我之前已经写过了——这篇文章有一个大致的概述,这篇文章涉及到纠缠的作用。我之前没有想到的是观察者的作用。具体地说,观察者在这负责定义单独的“宇宙”,给解释其广受欢迎的名字:没有真正独立的宇宙所有物质对象的副本,一个现实的成倍扩大纠缠态,细分为多个“宇宙”的经验观察人士居住的状态。

与量子和文学的原始主题相一致,这在罗伯特·查尔斯·威尔逊的小说《被无限的分裂》中,很有可能是我最喜欢的关于量子小说的作品。在这本书中,叙述者清楚地阐明了观察者在定义他们自己的“宇宙”中所扮演的角色,其隐含意义是出乎意料但却非常令人满意的。

当我第一次把这段谈话放在一起的时候,我第一次看到了这个平行的东西,这让我觉得很有趣。无论你是喜欢一个对自己有利的宇宙,观察的行为通过触发外部的崩溃而创造了现实,或者是一种多世界的方法,在那里,个体的感知将一个复杂的现实从内部分割开来,观察者对于哥本哈根和世界的解释都是至关重要的。