量子力学新发现可能推翻多重宇宙的理论

量子力学新发现可能推翻多世界理论，证明守恒定律在量子世界中依然有效，挑战了平行宇宙的存在。

量子力学中的多重宇宙解释认为：平行现实的存在有助于保持宇宙的平衡。然而，随着一个百年未解的悖论被破解，这一概念是否会被颠覆呢？

时不时，我们或许该停下来，感谢那些在平行现实中存在的略微不同的“你”。正是这些平行自我维持着这些宇宙的平衡。如果你认同量子力学中的多世界诠释(MWI)，那么这一观点便成立。65年前首次提出的这一理论认为，现实不断分裂为平行路径，这是量子粒子之间微妙相互作用的结果。尽管这一观点令人费解，但它也平滑了一些物理学中的难题，因此，许多理性物理学家认为这一理论是成立的。

然而，现在这一奇异的观点可能面临重大挑战，源自英国布里斯托大学的物理学家Sandu Popescu和Daniel Collins。他们最初试图解开一个已有100年历史的量子悖论，结果却间接推翻了平行宇宙的理论。“我们基本上破除了支持它的一个论点。”Collins如是说。

这一进展听起来似乎令人感到不安，但实际上可能为量子理论注入新生。Popescu和Collins的研究不仅帮助解决了其他长期存在的量子悖论，而且在一些理论学者眼中，它指向了一个全新的思维方式，即将宇宙视为一个从内部建构起来的单一量子现实。瑞士日内瓦大学量子理论基础研究员Nicolas Gisin表示：“这是深刻且新的发现，我认为它将变得非常重要。”

守恒定律的挑战

这一系列意想不到的结果源于一个早在量子理论诞生之前就已深入物理学基础的基本原理——守恒定律。最著名的应用是能量守恒，它简单地说，某些事物，包括能量，是永远守恒的。这意味着它们不能被摧毁，只能转化为不同的形式：比如，你踩下汽车刹车，动能并没有消失，而是转化为刹车盘、刹车片、车轮和轮胎中的热能和声音能量。

理论上，守恒定律不仅适用于汽车等大物体，也适用于所有由量子规则支配的小物体，包括原子和光子、夸克等亚原子粒子。量子理论也应遵循这些定律。然而，问题一直存在。

为了剖析这个问题，我们假设设计一个实验，发射一个电子向10个盒子中的任意一个。量子理论可以给出电子落在每个盒子的概率。根据电子的轨迹和盒子的相对位置，这个概率在不同盒子中可能不同。

我们发射电子，看看它落在哪里，然后重复99次。它每次落入哪个盒子的次数与理论预测一致——量子理论胜利了。

但如果我们只做一次实验，结果就无法预测，因为量子理论只能描述平均结果，无法描述单一事件。那么，这到底意味着什么呢？

按照传统的观点——由量子理论的奠基人尼尔斯·玻尔提出——系统在测量之前处于所有可能状态的“叠加”状态，所以在我们的假设实验中，电子实际上在所有10个盒子中都存在。这是一个巨大的问题，尤其是当你把这个观点推理到极限时，就像厄尔温·薛定谔在著名的猫实验中所做的那样：在一个密封的盒子里，通过一系列量子规则，猫在盒子打开前既是活的又是死的，直到有人打开盒子，进行“测量”，这时死的或活的状态才会确定。

这一点已经够奇怪了，但如果我们调整我们的情境，问题就变得更深了。假设我们测量的是电子的动量，而不是位置。与位置不同，动量遵循守恒定律，这意味着它不能凭空出现。但在测量之前，动量的叠加状态将与最终测量值完全不同。这就好像动量出现(或消失)了，这违背了动量守恒定律。“由于我们无法知道它在开始时的状态，动量似乎发生了跳跃，”Collins说。“这一点似乎无法避免。”

换句话说，量子理论嘲笑了守恒定律——物理学家已经为此困扰了一个世纪。某些人通过认为量子世界与经典物理世界不同，进而认为量子理论不必遵循标准的守恒定律，从而规避了这一悖论。Collins认为：“由于量子力学如此反直觉和似乎充满悖论，很多人可能太容易接受任何怪异的行为。”

多世界解释的挑战

然而，仍有学者坚持认为，守恒定律是至关重要的，这正是多世界解释(MWI)能够派上用场的地方。MWI不仅解释了那只生死不明的猫——一只版本存在于另一个宇宙中——它还似乎解决了守恒定律的问题。如果你考虑所有的宇宙，那么在所有宇宙中，动量并没有被创造或摧毁。

Collins和Popescu并不像一些物理学家那样对守恒定律的似乎违反感到轻松。去年四月，他们发布了一项思想实验，旨在深入探讨这个问题，结果他们证明，动量在单次量子测量中实际上是守恒的，而且原因出乎意料。“我们把它推得更深了，”Popescu说。

他们从一个简单的粒子绕圈运动的情况开始，然后假设测量它的角动量——另一个守恒量。这个角动量有明确的结果，但粒子之前处于叠加状态，因此显然发生了变化。

面对量子测量中守恒定律的“失效”疑云，物理学界长期以来陷入了困惑。然而，Sandu Popescu 和 Daniel Collins 的研究为解决这一难题带来了曙光。他们提出了一种新的视角，认为在量子测量过程中，守恒定律并未真正失效，而是我们忽略了一个至关重要的因素：制备者（Preparer）。

1.1 “制备者”：被忽视的关键角色

在传统的量子测量理论中，人们的目光往往聚焦于被测系统和测量仪器的相互作用，却常常忽略了实验得以进行的前提——被测系统是如何被“准备”出来的？这个‘幕后英雄’，便是“制备者”。所谓“制备者”，是指将量子系统制备到特定初始状态的装置或系统。例如，在测量电子动量的实验中，制备者可能是产生并加速电子束的装置。

Popescu 和 Collins 指出，制备者并非一个可有可无的角色，它在量子测量中扮演着至关重要的作用。他们认为，制备过程本身就是一个量子力学过程，制备者与被测系统之间会发生相互作用，并建立起某种量子关联。这种关联在之前的理论中被忽略了，而这正是导致守恒定律“失效”假象的根源。您是否曾思考过，实验开始前的“准备”可能带来的影响？

1.2 类比：击球手与台球

为了更好地理解“制备者”的作用，我们可以借用一个类比：将“制备者”比作一位击球手，“被测系统”比作台球桌上的白球，“测量仪器”比作观察者。

在台球比赛中，击球手的击球方式（力度、角度等）决定了白球的初始运动状态。即使击球手离开了球桌，他对白球的影响依然存在。同样地，在量子测量中，制备者通过与被测系统相互作用，将其制备到特定的初始状态，这种影响并不会随着制备过程的结束而消失。如果我们忽略了制备者的作用，仅仅关注白球和观察者的互动，就难以全面理解整个过程的物理本质。

2. 守恒定律的“幕后”：制备者的角色

Popescu 和 Collins 的核心思想是：在考虑了制备者的作用后，守恒定律在量子测量过程中仍然是严格成立的。 他们通过严谨的数学推导证明：如果在计算物理量（如动量）时，将制备者与被测系统视为一个整体，那么在整个测量过程中，这些物理量的总和始终保持不变。

2.1 动量守恒的新解释

以动量守恒为例，Popescu 和 Collins 指出，在测量前，被测系统的动量处于叠加态，而制备者也处于某种特定的量子态。两者之间存在着“纠缠”关系，这里的“纠缠”指的是一种量子力学中的特殊关联，处于纠缠态的两个或多个粒子，无论相隔多远，都如同一个整体，对其中一个粒子的测量会瞬间影响到其他粒子的状态。 这意味着它们的动量并不是独立的，而是相互关联的。在测量过程中，被测系统的波函数坍缩到一个确定的动量态，与此同时，制备者的状态也会发生相应的改变，以确保总动量保持不变。

可以将其想象成一种“动量转移”：在测量过程中，一部分动量从被测系统“转移”到了制备者身上，或者反之。这种转移是通过两者之间的量子关联实现的，因此在测量之前无法被我们所察觉。换句话说，被测系统的动量变化与制备者的状态变化是“同步”发生的，从而保证了总动量的守恒。 这是否意味着，我们所观察到的只是这个更大系统的局部表现呢？

2.2 数学推导的佐证

Popescu 和 Collins 的理论并非空中楼阁，而是建立在坚实的数学基础之上的。他们运用量子力学的基本原理，推导出了考虑制备者作用后的守恒定律表达式。这些数学公式清晰地表明：只要将制备者纳入考虑范围，守恒定律在量子测量过程中仍然是严格成立的。

3. 深远影响：重新认识量子测量

Popescu 和 Collins 的工作不仅为守恒定律正名，也为我们理解量子测量过程提供了新的视角。它揭示了制备者在量子测量中的重要作用，并强调了量子关联在其中扮演的关键角色。

3.1 量子测量的整体观

这一新视角强调了量子测量的整体性。它告诉我们，在量子世界中，孤立地看待一个系统是不完整的，我们需要将其与其周围的环境（包括制备者和测量仪器）联系起来考虑。 只有这样，我们才能真正理解量子测量的本质。这种将多个系统或过程联系在一起的思考模式，是否也可以被应用于其他科学领域呢？

3.2 未来的探索方向

Popescu 和 Collins 的工作为量子力学基础研究开辟了新的道路。它引发了许多新的问题：如何更精确地描述制备者的状态？如何实验验证制备者在量子测量中的作用？如何将这一理论推广到更复杂的量子系统？ 那么，这一新的测量观将如何影响我们对量子世界的认识，乃至对整个物理学体系的理解呢？ 这些问题将激励着物理学家们进一步探索量子世界的奥秘。

总而言之，Popescu 和 Collins 的新发现让我们对量子测量过程有了更深刻的认识，也为我们理解守恒定律在量子世界中的适用性提供了新的思路。他们的工作不仅具有重要的理论意义，也为未来量子技术的发展奠定了基础。