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量子理论是否暗示整个宇宙是预先注定的?

www.creaders.net | 2023-12-26 15:52:39  煎蛋网 | 0条评论 | 查看/发表评论

  流行的观点是,量子物理暗示一切都是随机的,没有任何确定的事物,但这可能是离真路径可能会远的。宇宙会像现在这样,有没有任何选择?阿尔伯特·爱因斯坦可能在他对数学家恩斯特·施特劳斯的评论中思考这个问题:“我真正感兴趣的是,上帝是否能以不同的方式创造世界;也就是说,逻辑简单的必要性是否留下了任何自由。”

  今年早些时候去世,享年83岁的美国物理学家詹姆斯·哈特尔,对这种持续的争论作出了根本性的贡献。在20世纪初,量子理论的出现似乎彻底破坏了古典物理学中关于宇宙演化是“决定性”的观点。哈特尔提出了一个不寻常的建议,如果正确的话,完全颠覆了关于决定性随着古典物理学的兴起,以及随着量子理论的衰落的一般故事。实际上,一个量子宇宙可能比一个古典宇宙更具决定性——并且,尽管看起来充满不确定性,量子理论可能会更好地解释为什么宇宙是现在这个样子,而不是其他的版本。

  在物理学中,决定性意味着宇宙在任何给定时间的状态和基本物理法则完全决定了宇宙的历史和未来的演变。这个思想在古典物理学中引入的关于宇宙行为方式的严格、精确的法则中达到了顶峰。以艾萨克·牛顿的运动定律为例。如果有人知道所有粒子的当前位置和动量,他们就可以在理论上使用牛顿的定律来推导出关于宇宙的所有事实,过去和未来。只是缺乏知识(或计算能力)阻止了科学家们这样做。

  伴随着这种独特的预测能力,决定性的下周科学解释接近于由德国多才多艺的人哥特弗里德·莱布尼茨最有名地表述的“充分理由原则”:一切都有解释。宇宙的每一状态(有一个明显的例外,下面我们会提到)都可以被前一个状态完全解释。如果宇宙是一列火车,决定性就是说它正在运行在一条轨道上,没有选择切换到任何其他路径的选项,因为不同的轨道永远不会交叉。

  物理学家通常喜欢决定性的预测和解释能力。其他人,包括一些哲学家,通常持更分裂的观点,尤其是因为决定性可能似乎排除了人类的自由意志:如果物理定律是决定性的,我们的行为只是粒子相互作用的总和,似乎没有空间让我们自由地选择A而不是B,因为宇宙的早期状态早已经决定了我们选择的结果。如果我们不自由,我们怎么能因为我们的行动而受到赞扬或指责呢?神经内分泌学家罗伯特·萨波尔斯基在2023年的书《决定》中讨论了这个令人着迷且有争议的问题。

  太空侵略者

  二十世纪开始,量子粒子的怪异行为从根本上改变了物理学中关于决定性的辩论。量子力学的定律只给出了结果的概率,这可以用奥地利物理学家埃尔文·薛定谔在1935年设计的思想实验进行说明(尽管他在设计它时,主要关注的是波函数如何表示现实)。一只猫被困在一个箱子里,有个瓶子里的毒药可能已经破裂了——由于放射性衰变,例如。如果量子力学适用于猫,它将被描述为一个“波函数”,处于“活着”和“死了”的超级位置。该波函数在测量时,随机跳到两种状态中的一种,量子力学只规定了两种可能性出现的概率。量子力学的到来似乎把决定性扔出了窗外。

  但是,这个被接受的观点可能并不是全部的故事,正如20世纪下半叶的发展所示。量子宇宙实际上可以比古典宇宙更具决定性,有两个原因。第一个是技术上的。牛顿的定律允许过去无法决定未来的移动方式的情况。例如,这些定律没有对一个物体可以被加速的程度设定上限,所以理论上,一个古典物体可以在有限时间内达到空间无穷大。反过来,你就得到了所谓的“太空入侵者”—来自空间无穷大,在宇宙中不与任何其他事物有因果关系的物体,这是无法从宇宙的任何过去状态中预测的。

量子理论是否暗示整个宇宙是预先注定的?

(示意图)

  实际上,这个问题是由爱因斯坦的特殊相对论引入的宇宙速度极限,即光速来解决的。但是古典理论中还有一些不受控的无限性,这也困扰着爱因斯坦的相对论。广义相对论的方程会导致无限曲率的“奇点”,最为人所知的是黑洞和宇宙起源处的大爆炸。奇点就像是时空中的空洞,理论不再适用;在某些情况下,任何东西都可以从中出来(或消失进去),威胁到决定性。

  许多物理学家认为,量子理论可以通过消除这样的奇点来解救——例如,通过将大爆炸转化为一个“大弹跳”,得到一个在奇点另一边的宇宙,它的演变仍然平稳进行。如果他们是对的,那么一个完全统一了预测小尺度下物质行为的量子理论和封装了宇宙大尺度演变的爱因斯坦相对论的“量子引力”理论,将会平滑时空中的空洞,并恢复决定性。

  但是,为什么量子宇宙可能更具决定性,还有一个更深层次的原因,哈特尔的科学遗产与此相关。哈特尔和美国物理学家默里·盖尔曼一起发展了一种有影响力的量子理论方法,叫做相干历史。这试图解释量子物理学中概率性陈述的有用性,以及从量子超级位置出现我们熟悉的、经典的日常体验。在他们的画面中,波函数从不随机跳跃。相反,它总是遵循由薛定谔方程给出的确定性法则,这个方程描述了量子态的平滑和连续的演变。在这个方面,它与美国物理学家休·埃弗里特三世的流行的“多世界”解释相似,这个解释认为,量子宇宙根据波函数中编码的可能性在任何被测量的东西上分裂成不同的分支。在下面,我假设,就像埃弗里特那样,整个宇宙可以被一个没有任何“隐藏”的能在更基础层面上操作的变量的量子波函数完全描述。

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