量子力學新發現可能推翻多重宇宙的理論

量子力學新發現可能推翻多世界理論，證明守恆定律在量子世界中依然有效，挑戰了平行宇宙的存在。

量子力學中的多重宇宙解釋認爲：平行現實的存在有助於保持宇宙的平衡。然而，隨着一個百年未解的悖論被破解，這一概念是否會被顛覆呢？

時不時，我們或許該停下來，感謝那些在平行現實中存在的略微不同的“你”。正是這些平行自我維持着這些宇宙的平衡。如果你認同量子力學中的多世界詮釋(MWI)，那麼這一觀點便成立。65年前首次提出的這一理論認爲，現實不斷分裂爲平行路徑，這是量子粒子之間微妙相互作用的結果。儘管這一觀點令人費解，但它也平滑了一些物理學中的難題，因此，許多理性物理學家認爲這一理論是成立的。

然而，現在這一奇異的觀點可能面臨重大挑戰，源自英國布里斯托大學的物理學家Sandu Popescu和Daniel Collins。他們最初試圖解開一個已有100年曆史的量子悖論，結果卻間接推翻了平行宇宙的理論。“我們基本上破除了支持它的一個論點。”Collins如是說。

這一進展聽起來似乎令人感到不安，但實際上可能爲量子理論注入新生。Popescu和Collins的研究不僅幫助解決了其他長期存在的量子悖論，而且在一些理論學者眼中，它指向了一個全新的思維方式，即將宇宙視爲一個從內部建構起來的單一量子現實。瑞士日內瓦大學量子理論基礎研究員Nicolas Gisin表示：“這是深刻且新的發現，我認爲它將變得非常重要。”

守恆定律的挑戰

這一系列意想不到的結果源於一個早在量子理論誕生之前就已深入物理學基礎的基本原理——守恆定律。最著名的應用是能量守恆，它簡單地說，某些事物，包括能量，是永遠守恆的。這意味着它們不能被摧毀，只能轉化爲不同的形式：比如，你踩下汽車剎車，動能並沒有消失，而是轉化爲剎車盤、剎車片、車輪和輪胎中的熱能和聲音能量。

理論上，守恆定律不僅適用於汽車等大物體，也適用於所有由量子規則支配的小物體，包括原子和光子、夸克等亞原子粒子。量子理論也應遵循這些定律。然而，問題一直存在。

爲了剖析這個問題，我們假設設計一個實驗，發射一個電子向10個盒子中的任意一個。量子理論可以給出電子落在每個盒子的概率。根據電子的軌跡和盒子的相對位置，這個概率在不同盒子中可能不同。

我們發射電子，看看它落在哪裏，然後重複99次。它每次落入哪個盒子的次數與理論預測一致——量子理論勝利了。

但如果我們只做一次實驗，結果就無法預測，因爲量子理論只能描述平均結果，無法描述單一事件。那麼，這到底意味着什麼呢？

按照傳統的觀點——由量子理論的奠基人尼爾斯·玻爾提出——系統在測量之前處於所有可能狀態的“疊加”狀態，所以在我們的假設實驗中，電子實際上在所有10個盒子中都存在。這是一個巨大的問題，尤其是當你把這個觀點推理到極限時，就像厄爾溫·薛定諤在著名的貓實驗中所做的那樣：在一個密封的盒子裏，通過一系列量子規則，貓在盒子打開前既是活的又是死的，直到有人打開盒子，進行“測量”，這時死的或活的狀態纔會確定。

這一點已經夠奇怪了，但如果我們調整我們的情境，問題就變得更深了。假設我們測量的是電子的動量，而不是位置。與位置不同，動量遵循守恆定律，這意味着它不能憑空出現。但在測量之前，動量的疊加狀態將與最終測量值完全不同。這就好像動量出現(或消失)了，這違背了動量守恆定律。“由於我們無法知道它在開始時的狀態，動量似乎發生了跳躍，”Collins說。“這一點似乎無法避免。”

換句話說，量子理論嘲笑了守恆定律——物理學家已經爲此困擾了一個世紀。某些人通過認爲量子世界與經典物理世界不同，進而認爲量子理論不必遵循標準的守恆定律，從而規避了這一悖論。Collins認爲：“由於量子力學如此反直覺和似乎充滿悖論，很多人可能太容易接受任何怪異的行爲。”

多世界解釋的挑戰

然而，仍有學者堅持認爲，守恆定律是至關重要的，這正是多世界解釋(MWI)能夠派上用場的地方。MWI不僅解釋了那隻生死不明的貓——一隻版本存在於另一個宇宙中——它還似乎解決了守恆定律的問題。如果你考慮所有的宇宙，那麼在所有宇宙中，動量並沒有被創造或摧毀。

Collins和Popescu並不像一些物理學家那樣對守恆定律的似乎違反感到輕鬆。去年四月，他們發佈了一項思想實驗，旨在深入探討這個問題，結果他們證明，動量在單次量子測量中實際上是守恆的，而且原因出乎意料。“我們把它推得更深了，”Popescu說。

他們從一個簡單的粒子繞圈運動的情況開始，然後假設測量它的角動量——另一個守恆量。這個角動量有明確的結果，但粒子之前處於疊加狀態，因此顯然發生了變化。

面對量子測量中守恆定律的“失效”疑雲，物理學界長期以來陷入了困惑。然而，Sandu Popescu 和 Daniel Collins 的研究爲解決這一難題帶來了曙光。他們提出了一種新的視角，認爲在量子測量過程中，守恆定律並未真正失效，而是我們忽略了一個至關重要的因素：製備者（Preparer）。

1.1 “製備者”：被忽視的關鍵角色

在傳統的量子測量理論中，人們的目光往往聚焦於被測系統和測量儀器的相互作用，卻常常忽略了實驗得以進行的前提——被測系統是如何被“準備”出來的？這個‘幕後英雄’，便是“製備者”。所謂“製備者”，是指將量子系統製備到特定初始狀態的裝置或系統。例如，在測量電子動量的實驗中，製備者可能是產生並加速電子束的裝置。

Popescu 和 Collins 指出，製備者並非一個可有可無的角色，它在量子測量中扮演着至關重要的作用。他們認爲，製備過程本身就是一個量子力學過程，製備者與被測系統之間會發生相互作用，並建立起某種量子關聯。這種關聯在之前的理論中被忽略了，而這正是導致守恆定律“失效”假象的根源。您是否曾思考過，實驗開始前的“準備”可能帶來的影響？

1.2 類比：擊球手與檯球

爲了更好地理解“製備者”的作用，我們可以借用一個類比：將“製備者”比作一位擊球手，“被測系統”比作檯球桌上的白球，“測量儀器”比作觀察者。

在臺球比賽中，擊球手的擊球方式（力度、角度等）決定了白球的初始運動狀態。即使擊球手離開了球桌，他對白球的影響依然存在。同樣地，在量子測量中，製備者通過與被測系統相互作用，將其製備到特定的初始狀態，這種影響並不會隨着製備過程的結束而消失。如果我們忽略了製備者的作用，僅僅關注白球和觀察者的互動，就難以全面理解整個過程的物理本質。

2. 守恆定律的“幕後”：製備者的角色

Popescu 和 Collins 的核心思想是：在考慮了製備者的作用後，守恆定律在量子測量過程中仍然是嚴格成立的。 他們通過嚴謹的數學推導證明：如果在計算物理量（如動量）時，將製備者與被測系統視爲一個整體，那麼在整個測量過程中，這些物理量的總和始終保持不變。

2.1 動量守恆的新解釋

以動量守恆爲例，Popescu 和 Collins 指出，在測量前，被測系統的動量處於疊加態，而製備者也處於某種特定的量子態。兩者之間存在着“糾纏”關係，這裏的“糾纏”指的是一種量子力學中的特殊關聯，處於糾纏態的兩個或多個粒子，無論相隔多遠，都如同一個整體，對其中一個粒子的測量會瞬間影響到其他粒子的狀態。 這意味着它們的動量並不是獨立的，而是相互關聯的。在測量過程中，被測系統的波函數坍縮到一個確定的動量態，與此同時，製備者的狀態也會發生相應的改變，以確保總動量保持不變。

可以將其想象成一種“動量轉移”：在測量過程中，一部分動量從被測系統“轉移”到了製備者身上，或者反之。這種轉移是通過兩者之間的量子關聯實現的，因此在測量之前無法被我們所察覺。換句話說，被測系統的動量變化與製備者的狀態變化是“同步”發生的，從而保證了總動量的守恆。 這是否意味着，我們所觀察到的只是這個更大系統的局部表現呢？

2.2 數學推導的佐證

Popescu 和 Collins 的理論並非空中樓閣，而是建立在堅實的數學基礎之上的。他們運用量子力學的基本原理，推導出了考慮製備者作用後的守恆定律表達式。這些數學公式清晰地表明：只要將製備者納入考慮範圍，守恆定律在量子測量過程中仍然是嚴格成立的。

3. 深遠影響：重新認識量子測量

Popescu 和 Collins 的工作不僅爲守恆定律正名，也爲我們理解量子測量過程提供了新的視角。它揭示了製備者在量子測量中的重要作用，並強調了量子關聯在其中扮演的關鍵角色。

3.1 量子測量的整體觀

這一新視角強調了量子測量的整體性。它告訴我們，在量子世界中，孤立地看待一個系統是不完整的，我們需要將其與其周圍的環境（包括製備者和測量儀器）聯繫起來考慮。 只有這樣，我們才能真正理解量子測量的本質。這種將多個系統或過程聯繫在一起的思考模式，是否也可以被應用於其他科學領域呢？

3.2 未來的探索方向

Popescu 和 Collins 的工作爲量子力學基礎研究開闢了新的道路。它引發了許多新的問題：如何更精確地描述製備者的狀態？如何實驗驗證製備者在量子測量中的作用？如何將這一理論推廣到更復雜的量子系統？ 那麼，這一新的測量觀將如何影響我們對量子世界的認識，乃至對整個物理學體系的理解呢？ 這些問題將激勵着物理學家們進一步探索量子世界的奧祕。

總而言之，Popescu 和 Collins 的新發現讓我們對量子測量過程有了更深刻的認識，也爲我們理解守恆定律在量子世界中的適用性提供了新的思路。他們的工作不僅具有重要的理論意義，也爲未來量子技術的發展奠定了基礎。