网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

波函数是如何创造出现实世界的?一种革命性的理论揭示了这一点

0
分享至

在量子力学的世界里,粒子同时处于多个不同状态,或者以超光速相互作用似乎并不令人惊讶。但是,这些奇怪的现象似乎并没有影响到我们熟悉的人类尺度——尽管我们的世界完全是由量子奇异现象的基本构件组成的。对这种转变的解释各种各样,从意识的神秘作用到多重现实的宏大理论。然而,有一种解释给人的感觉像是我们所试图解释的经典世界那样可行。让我们来探讨这种解释是否真的站得住脚。

在量子力学中,粒子没有明确的属性。相反,它们由所谓的波函数来描述

事实上,一个粒子就是它的波函数:一种模糊的分布,只在特定情况下变得明确。

例如,当我们对一个粒子进行测量时,测量的属性(速度、动量、位置等)似乎是从波函数定义的可能值的宽范围中选取的。我们说波函数塌缩了——它似乎缩小到一个窗口,窗口的窄宽度由测量精度决定

薛定谔的猫就是一个著名的例子。

一位科学家将一只猫和一个与毒气瓶连接的放射性原子放在一个密闭的盒子里。原子有50%的几率衰变,触发毒气释放,从而杀死猫。

在打开盒子之前,从科学家的角度来看,原子的波函数处于我们所说的多态叠加状态。它同时处于衰变和未衰变的状态。那么,猫是不是也处于死亡和活着的叠加状态呢?老实说,可能不是。在原子和猫之间的某一点上(从微观到宏观的过度),原子的波函数塌缩为两个状态之一。“并”变成“或”。“衰变和未衰变”变成了“衰变或者未衰变”,猫是活着或者死了,而不是活着死了。在亚原子和宏观之间,量子变成了经典。

波函数塌缩(function collapse)的概念最早是由量子理论的主要创立者之海森堡提出的。海森堡和他的朋友尼尔斯·玻尔确信波函数塌缩是真实的。这是他们对量子力学哥本哈根解释的核心部分。但这两位物理学家都不知道波函数塌缩究竟在哪里或如何发生。这也合理,因为这很令人困惑。量子叠加可以涉及许多量子粒子。那么叠加可以扩展多远呢?原子,放射性探测器,毒气瓶,猫,科学家?

关于这个问题的观点有很大差异。约翰·冯·诺伊曼和尤金·维格纳认为波函数塌缩发生在主观意识的瞬间——换句话说,他们认为意识导致了波函数的塌缩。在观点的另一个极端,许多物理学家认为波函数的塌缩是虚构的。例如,在休·埃弗里特的多世界解释中,波函数从不塌缩,而是持续不断地分裂成平行现实。

还有量子退相干的概念,即波函数的不同部分变得无法相互作用。还有德布罗意-玻姆引导波理论,即粒子已经具有隐藏在波函数内的明确属性。波函数可能会塌缩,但粒子保持着严格的物理属性。

但今天我们将探讨一种不同的波函数塌缩方法。这种方法接受波函数作为现实的基本构件,通过塌缩来避免多重宇宙,同时也避免了像意识引起的塌缩这样的神秘解释。

故事始于1986年,当时三位意大利物理学家Giancarlo Ghirardi、Alberto Rimini和Tullio Weber发表了一篇论文(unified dynamics for microscopic and macroscopic systems and tullio weber),概述了后来被称为GRW理论的内容,这是一类新的量子理论——“客观塌缩理论”。

在客观塌缩理论中,波函数是真实的物理实体,在测量时确实会发生塌缩。但这种塌缩与有意识的观察者或任何主观解释无关。波函数和塌缩都是完全真实的、完全客观的——因此得名。

要了解客观塌缩理论是如何运作的,我们需要再了解一点量子力学。波函数的行为由薛定谔方程描述,

该方程跟踪其在空间和时间中的演化。

薛定谔方程是一个线性方程——这意味着如果将这个方程的解相加,结果仍然是该方程的解。这使得叠加成为可能,允许波函数的不同部分对应于不同可能的测量结果,并独立演化。关于薛定谔方程的另一个特点是,它具有时间反演对称性。向前运行它会产生未来的状态,但向后运行它可以完美地恢复过去的状态。

当波函数塌缩发生时,波函数的不同部分会瞬时、非局域、不可逆地相互作用这意味着波函数塌缩是一个非线性过程,它是不可逆的。它不是薛定谔方程数学描述的一部分。

为了对波函数塌缩的效应进行建模,Ghirardi、Rimini和Weber在薛定谔方程中添加了一个非线性项,这可以使波函数以正好合适的方式塌缩,从而解释为什么亚原子系统可以是量子的,但大系统总是经典的。将这种非线性作用看作是波函数在某个特定位置受到的罕见和随机的冲击。这种冲击使其塌缩到一个特定的值。当它塌缩时,它立即使与其连接的波函数的所有部分塌缩。

使这个工作的关键是这些冲击非常罕见。在实验过程中,单个孤立的量子粒子发生塌缩的可能性非常小。但是,增加的粒子越多,其中一个粒子发生塌缩的可能性就越大,而这个单一事件会使整个系统的波函数塌缩。

任何试图测量孤立量子系统的尝试都意味着将大量粒子引入其中——在测量设备和你的大脑中。有足够多的粒子,塌缩就变得不可避免。

因此,这种机制为量子-经典分界提供了一个可能的解释——它仅取决于涉及的粒子数量。小的粒子可以保持量子状态,但随着尺寸的增加,塌缩为经典状态的几率也会增加,而大的物体基本上永远不会是量子的。

GRW提出,每个粒子每秒的塌缩速率应该约为10^-16次。在这个值下,单个粒子的波函数在大约1亿年内保持未塌缩。

但是,如果有阿伏伽德罗常数的粒子数量——6x10^23个左右,你可以预期每10纳秒左右发生一次塌缩。

GRW是一种具有革命性的理论,激发了许多后续模型,如连续自发定位(CSL)。在CSL中,物理学家想象局部定位机制是一种随机抖动的场,就像漂浮在水上的花粉颗粒的布朗运动一样。

物质与这个波动场的相互作用将不断塌缩波函数,与GRW理论中离散且剧烈的撞击形成对比。

但这些模型都没有真正尝试解释这种机制究竟是什么。他们只是认为有一种神秘的场与所有物质相互作用——就像是第五种基本力。

但Lajos Diósi和后来的Roger Penrose认为没有必要引入某种新的基本力量。他们认为自然已经给了我们一个完美的波函数塌缩源:引力

引力去相干将同时解释物理学的两个谜团。一是什么导致了从量子到经典的转变?二是为什么引力不能像其他力一样被量子化?所有的塌缩模型试图回答第1点,但只有Diósi和Penrose的模型可以回答第2点:引力不能被量子化,因为引力不是量子的。他们提出,引力与三种量子力是截然相反的。当事物很小的时候,量子力学起主导作用,但增加足够的质量,系统的引力将导致它迅速地变成经典物体。Penrose的理论预测量子力学将被“引力化”。

例如,考虑一个质量巨大的物体。广义相对论指出,该物体的质量会使周围的时空弯曲。但量子力学表示,这个物体可以处于两个位置的叠加态,即它同时处于“这里”和“那里”。

将这两个事实结合起来,将得到两个不同几何时空的叠加。根据Penrose的说法,这是不可能的。不稳定性引入了薛定谔方程中的一个非线性项,导致波函数迅速而随机地选择使物体出现在“这里”或“那里”,而不是两者兼有。因为这些客观塌缩模型涉及对薛定谔方程的修改,它们不仅仅是量子力学的解释,而是具有独特预测能力的不同理论。这意味着,与我们之前讨论过的其他解释(例如,玻姆力学或多世界)不同,客观塌缩模型实际上可以进行测试。一些测试已经排除了一些模型,并对其他模型的非线性参数进行了限制。

直接测试塌缩模型将涉及将一个宏观物体置于“这里”和“那里”的叠加状态,然后测量叠加状态塌缩所需的时间。这个时间应该与物体的大小成正比。实验接近进行这种直接测量所需的质量,但尚未完全达到。

相反,物理学家想出了巧妙的方法来寻找塌缩模型的其他间接迹象。例如,这些模型暗示量子波函数将受到重力或其他某种塌缩场的随机扰动和撞击。如果量子物体恰好带电,那么由这种布朗运动引起的不断颤动和加速意味着它会发射辐射。

21年,意大利的科学家尝试测量这种辐射效应。他们将一块8x8厘米的锗晶体放入低温容器中,并仔细测量了它发射的辐射量。

预测的效果非常微小,研究人员不得不进入地下尽可能减少背景源。在Gran Sasso实验室,主要的噪声源,宇宙μ子,减少了近百万倍。

然后,他们用铜和铅的层进一步屏蔽了晶体。在这种纯净的条件下进行高精度测量,科学家们能够测量到从锗晶体发射出的单个光子。

在观察了晶体两个月之后,他们总共检测到了576个光子。

现在,这还不足以证实或反驳这一普遍观点,但科学家们得以对Diósi-Penrose模型中的自由参数值施加严格限制。甚至排除了Penrose的原始版本模型。

还有许多客观塌缩模型尚未被实验排除。无论如何,这是激动人心的,因为在物理学中有一个真实且易于接近的实验途径来研究一个最大的未解问题。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
科学家发现宇宙最恐怖天体!比银河系还重,太阳在它面前如尘埃

科学家发现宇宙最恐怖天体!比银河系还重,太阳在它面前如尘埃

心中的麦田
2026-08-15 20:28:59
“妈妈,我想活!”来沪母子改装三轮车非法拉客,交警的选择令人动容!网友怒赞:上海温度

“妈妈,我想活!”来沪母子改装三轮车非法拉客,交警的选择令人动容!网友怒赞:上海温度

新民晚报
2026-08-15 10:16:08
中方做最坏打算,通知拖船,菲凑齐6国协议,美航母连夜掉头南下

中方做最坏打算,通知拖船,菲凑齐6国协议,美航母连夜掉头南下

快看张同学
2026-08-16 11:35:39
终于倒闭了?中国曾经最“暴利”行业,嚣张20年后彻底被时代抛弃

终于倒闭了?中国曾经最“暴利”行业,嚣张20年后彻底被时代抛弃

时光流转追梦人
2026-08-16 05:22:01
日本民众计划在多地集会,守护和平宪法

日本民众计划在多地集会,守护和平宪法

齐鲁壹点
2026-08-16 14:28:38
三征高丽是发疯还是豪赌?

三征高丽是发疯还是豪赌?

汉唐智库
2026-08-16 00:10:02
上海楼市开始离谱了!静安区南京西路板块从15万变成10.2万,老上海开始置换大房了

上海楼市开始离谱了!静安区南京西路板块从15万变成10.2万,老上海开始置换大房了

民生格物
2026-08-13 22:32:11
老熟人回归!辽篮第三外援敲定,初步达成加盟意向,只差最后一步

老熟人回归!辽篮第三外援敲定,初步达成加盟意向,只差最后一步

体育见习官
2026-08-16 15:35:11
以为只是肠胃炎,竟然是癌症!浙江17岁少年,从确诊到离世仅一个半月!医生:身体发出这些“求助信号”,千万别忽视

以为只是肠胃炎,竟然是癌症!浙江17岁少年,从确诊到离世仅一个半月!医生:身体发出这些“求助信号”,千万别忽视

环球网资讯
2026-08-15 15:47:05
太突然!南京又一大型商超停业!已开业12年!

太突然!南京又一大型商超停业!已开业12年!

白浅娱乐聊
2026-08-16 05:44:26
《牛来》票房破200万,预测总票房1837.6万;院线排片直言“道德和笑点在打架”,提醒观众不要长时间录屏;网友最困惑:这么糙为何能公映

《牛来》票房破200万,预测总票房1837.6万;院线排片直言“道德和笑点在打架”,提醒观众不要长时间录屏;网友最困惑:这么糙为何能公映

鲁中晨报
2026-08-16 09:10:03
请保姆12年踩过不少坑后,我想告诉大家:保姆再好,也不能对她做这三件事

请保姆12年踩过不少坑后,我想告诉大家:保姆再好,也不能对她做这三件事

小马达情感故事
2026-08-14 19:10:06
中国国防部亮明态度!马科斯想“吃两头”,这次恐怕玩不转了

中国国防部亮明态度!马科斯想“吃两头”,这次恐怕玩不转了

阿器谈史
2026-08-16 16:07:01
韩红就是自我托大,没大没小!叫小宋肯定不合适!

韩红就是自我托大,没大没小!叫小宋肯定不合适!

老吴教育课堂
2026-08-09 02:46:30
日本议员公然挑衅中国游客!没等中国出手,先被韩国同行打脸了

日本议员公然挑衅中国游客!没等中国出手,先被韩国同行打脸了

凡知
2026-08-16 16:19:34
刚夺冠又赢球!张帅2-1逆转创纪录,17万奖金到手,下轮复仇克星?

刚夺冠又赢球!张帅2-1逆转创纪录,17万奖金到手,下轮复仇克星?

刘姚尧的文字城堡
2026-08-16 08:37:36
不再遮掩!默茨对华改口,中方订单被六国分走,近60架空客白买?

不再遮掩!默茨对华改口,中方订单被六国分走,近60架空客白买?

浯江孤舟
2026-08-15 10:18:41
特朗普不理伊朗了,这才是最可怕的:要完全封死伊朗海上进出口?

特朗普不理伊朗了,这才是最可怕的:要完全封死伊朗海上进出口?

暮雨咋歇着
2026-08-15 06:40:47
散步半小时是错的?医生提醒:年过70岁,散步尽量做到这5点

散步半小时是错的?医生提醒:年过70岁,散步尽量做到这5点

任医生聊健康
2026-08-16 11:30:22
妹子喝醉误把猫咪塞包里带回家,酒醒后吓坏急联系主人,结果被对方反手直接套牢:你自己养着吧!

妹子喝醉误把猫咪塞包里带回家,酒醒后吓坏急联系主人,结果被对方反手直接套牢:你自己养着吧!

铲屎官阿伟
2026-08-05 14:30:08
2026-08-16 17:08:49
老胡说科学 incentive-icons
老胡说科学
科学如此美妙,我想让你知道
1229文章数 33537关注度
往期回顾 全部

头条要闻

中考近700分爸妈让选职业教育 女儿不肯直到算了笔账

头条要闻

中考近700分爸妈让选职业教育 女儿不肯直到算了笔账

体育要闻

1-4!39岁梅西双手抱头:点球不进+2中柱

娱乐要闻

李小冉疑承认离婚 多次强调“一个人”

财经要闻

事关8万亿养老金!长周期考核落地中

科技要闻

210亿美元,黄仁勋投了马斯克

汽车要闻

杨洋成001号车主 岚图追光S正式上市

态度原创

数码
本地
亲子
时尚
健康

数码要闻

网友吐槽SK海力士SSD故障无法换新,厂商只同意按原价退款

本地新闻

黄景藏用半刀泥刻瓷都魂

亲子要闻

这里边的镜头,你们错过哪个我都会觉得可惜

看来看去还是穿裙子最显气质,不花哨、不扮嫩,大方又舒适

专家解答青少年脊柱侧弯七大问题

无障碍浏览 进入关怀版