量子力學與經典物理學的和諧共存:薛定谔貓悖論的新視角

葫蘆科普 2024-04-27 15:52:57

理論物理學家提出了解決薛定谔貓悖論的新方案,這可能使得量子力學理論與愛因斯坦的相對論能更和諧地共存。

量子物理學的奇異定律認爲,物理對象可以同時存在于多種狀態的組合中,比如同時處于兩個位置或同時擁有不同的速度。根據這一理論,一個系統會保持這種“疊加態”,直到與測量裝置相互作用,在測量結果下才獲得確定的值。系統狀態這種突然的變化稱爲坍縮。

疊加態在微觀粒子中是常見的,但宏觀物體通常遵循經典物理定律。量子力學與經典力學之間的過渡一直是物理學中的一個難題,疊加態的概念挑戰了我們對宏觀世界的傳統認識。疊加態是量子糾纏現象的基礎,量子糾纏是兩個或多個粒子之間即使相隔很遠也能瞬間影響對方狀態的現象。這對宇宙的基本結構和信息傳遞提出了新的問題。

1935年,物理學家埃爾溫·薛定谔用其著名的貓悖論總結了這一理論——通過密封盒子裏的貓同時既是死的又是活的這個比喻,直到盒子被打開,貓的狀態坍縮,揭示其命運。然而,將這些規則應用于現實場景面臨挑戰——而這正是真正悖論産生的地方。

雖然量子定律在原子和亞原子粒子領域成立,在這個尺度上,粒子可以同時存在于多個狀態,一個電子可以同時存在于原子的不同能級上,直到被測量,這時它才會“選擇”一個特定的能級。

當我們從微觀尺度轉向宏觀尺度,比如考慮一輛汽車或一個星球時,物體的行爲開始遵循經典物理學的定律,特別是牛頓力學和愛因斯坦的相對論。在這些宏觀尺度上,我們沒有觀察到物體同時存在于多個狀態的疊加態現象。這就表明,我們如果要用量子原理描述整個宇宙更是困難重重,因爲宇宙看起來是完全經典的,遵循相對論的定律,而不是量子力學的定律。此外,宇宙中沒有外部的“觀察者”來觸發量子狀態的坍縮,因爲宇宙包含了所有存在的事物。

想象你有一枚硬幣,它可以代表一個量子粒子。在量子世界裏,這枚硬幣可以同時處于正面和反面(疊加態),直到你觀察它,它才會變成正面或反面中的一個。但在宏觀世界裏,比如你把硬幣放在桌子上,它要麽正面朝上,要麽反面朝上,你不會看到它同時處于兩個狀態。

那麽爲什麽我們沒有在大物體上觀察到疊加態呢?這可能是因爲在宏觀尺度上,物體與周圍環境的相互作用非常頻繁,這種相互作用導致量子疊加態迅速“坍縮”到一個確定的狀態。這種現象稱爲“退相幹”。

盡管量子力學在微觀尺度上非常成功,但在宏觀尺度上,我們仍然依賴經典物理學來描述物體的行爲。這種從量子到經典的過渡是現代物理學中一個非常活躍的研究領域。

意大利的裏雅斯特大學的理論物理學家、該研究的主要作者馬泰奧·卡爾萊索在接受采訪時說:“問題是,沒有周圍環境的宇宙是否能處于這樣的疊加態中?觀測表明不能:一切都遵循廣義相對論的經典預測。那麽,是什麽打破了這種疊加態呢?”爲了應對這個問題,卡爾萊索和他的同事們對支配所有狀態(包括疊加態)隨時間演化的薛定谔方程提出了修改。“特定的薛定谔方程修改可以解決這個問題,”卡爾萊索說。特別是,團隊在方程中添加了描述系統如何自我交互的項以及其他特定項,這進而導致疊加態的崩潰。

“這種效應隨著系統的增大而增強,”卡爾萊索補充道。

至關重要的是,這些修改對原子和分子等微觀量子系統幾乎沒有影響,但卻允許更大的系統——比如宇宙本身——頻繁坍縮,賦予它們符合我們對宇宙觀測的確定值。研究小組在2月份的《高能物理雜志》上描述了他們修改後的薛定谔方程。

在他們調整過的量子物理學版本中,研究人員消除了受測量對象與測量裝置之間的區別。相反,他們提出每個系統的狀態會自發地、定期地坍縮,從而獲得某些屬性的確定值。

對于大系統而言,自發坍縮發生頻繁,使其呈現出經典外觀。與這些系統相互作用的亞原子粒子成爲系統的一部分,導致它們的狀態迅速坍縮並獲得確定的坐標,類似于測量過程。

因此,科學家們提出了一種修改後的薛定谔方程,用以描述宇宙從量子疊加態到經典態的轉變。這個修改後的方程被稱爲Wheeler-DeWitt (WDW) 方程,並引入了自發坍縮模型的元素。這種機制通過非線性和隨機項來實現,允許宇宙波函數在沒有外部觀察者的情況下發生坍縮。

卡爾萊索說:“沒有任何外部實體的作用,任何系統都會自發地(或坍縮)定位在某個特定狀態中。取代貓同時是死的和活的狀態,我們發現貓要麽是死的,要麽是活的。”

新模型或許能解釋爲什麽我們的宇宙的空間-時間幾何不處于狀態的疊加中,並且遵循愛因斯坦相對論的經典方程。

卡爾萊索說:“我們的模型描述了一個量子宇宙,它最終坍縮,從而有效地變成了經典宇宙。我們展示了自發坍縮模型可以解釋從量子宇宙的疊加中出現經典宇宙的過程,其中每個宇宙具有不同的空間-時間幾何。”

通過引入坍縮項,宇宙波函數的演化可以通過數值模擬來研究。這些模擬展示了宇宙波函數如何從量子疊加態坍縮到具有特定空間-時間幾何的經典態。特別地,當將這種動力學應用于參數化單模引力模型時,作者們展示了宇宙常數的坍縮,這爲宇宙常數問題提供了一個可能的解釋。

新模型提供了一個機制,使得宇宙可以從一個量子疊加態自然地演化到一個具有明確空間-時間幾何的經典態,而不需要外部的測量者或環境。

盡管這一理論可能解釋了爲什麽宇宙似乎遵循經典物理學定律,但它並未對大規模物理過程做出新的預測。

然而,它確實對原子和分子的行爲做出了預測,盡管與傳統量子力學只有微小的偏差。

因此,檢驗他們的量子模型修改版並不簡單。未來的工作將致力于設計這樣的測試。

卡爾萊索說:“我們正與實驗合作者一起努力測試坍縮修改的影響,或推導出其參數的界限。這完全等同于測試量子理論的極限。”

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评论列表
  • 2024-05-11 23:50

    擲骰子結果是確定的。不觀測就不能確定,觀測方法不足,也不能確定。空間連續可入,位置精度沒有任何極限,對應的速度當然也沒有極限。測不准原理肯定是騙!觀測能力不足一直都是人類認知自然的障礙,是不確定的源頭 ,不奇怪。———測量精度是觀測能力的不確定問題,當然不能用來否定或驗證公理(自然有無之真)。真假確定性是科學的根本,“波粒二象性”是以真假不辨來禍害人類認知的核心根基———確定性。科學追求確定性,騙子招搖過市鼓吹不確定,是啥意思???精度與不確定是觀測屬性,不是物質屬性,不是真假,不能以精度定義或否定公理。你媽媽超重1克還是你媽媽嗎???

  • 2024-04-27 17:41

    自然絕對誠實,真理是絕對的。真與假,有可能和諧共存嗎?

  • 2024-04-27 23:12

    自然絕對誠實,創造了人類,給了人類無窮的機會,是人類唯一的生存依靠。敬畏自然的絕對誠實,是你的本分,也帶來了人類科學。………明天還有太陽是普遍規律,本質是不知道!根本原因也是不知道!!!沒有人能證明明天還有太陽!只能信任敬畏絕對誠實的自然。(所有的規律和觀測結果都已是過去了。)——狗🐶追兔子走直線,悖論斯坦智商高追兔子走蟲洞。………迷信蔑視自然的騙子悖論斯坦,瞎搞假說科幻,將導致人類無法逃脫第六次地球生物大滅絕。

  • 2024-05-11 23:49

    解釋光電效應是個笑話。物理機制根本木有涉及,對光譜特性,對光電子能量分布,對偏振和溫度影響等都不能解釋。是半知亂解,害大于利(笨蛋好于壞蛋)。發現光電效應是寶貴的金山,本是一條通往微觀世界的大道。胡編解釋光電效應是毒藥禍害!!!………證明光速不變(全稱命題)是胡編!光反射驅動光帆恰恰證僞了光速不變。多普勒效應和紅移就是相對光速變化。光子進入引力場比如黑洞必然會加速。邁克爾遜-莫雷實驗結果的理解::有質量的光子慣性運動,一點也不奇怪。……光子對實驗裝置相對速度基本不變,兩路速度差極小,地球重力對光子速度影響太小也測不到,近似爲慣性系。

  • 2024-05-11 23:49

    觀測歸納是經典物理,不確定/概率/不知道/假說/的東西也成了物理???用數學與創造假說當物理研究未知的大笑話。撒網捕魚只能是概率,魚攤買魚是計算(物理公理已知)。觀測樹上蘋果數量是確定的,猜測樹上蘋果數量當然不確定。不確定是觀測屬性,不是運動屬性。哪裏會有荒唐的測不准原理???鬼扯的光速不變,具有無窮的運動精度!胡編的測不准原理,居然與光速不變是同夥!!!創造假說宏觀微觀不同?相對速度哪有誰高誰低?笑死人。精度高低是觀測能力問題不可能是真理,也不能否定真理。自然的有無才是真。騙子當然能猜中骰子,號稱證明公理公設必然是騙!

  • 2024-05-11 23:49

    質能方程,>>遠遠勝過,任何東西能變油+油能變任何東西。。。到底是質量獲得能量還是質量變成能量??? ………動能公式,清清楚楚明明白白,到處用天天用,是質量獲得能量的經典公理。………能量概念清清楚楚,是對物質運動狀態的描述,居然敢欺騙說物質與能量等效???何其狂妄可笑???………他爸爸有動能,他爸爸也有勢能,動能和勢能都能變成他爸爸。他到底有多少爸爸呀?

  • 2024-05-11 23:50

    波只是一種粒子宏觀時空分布不均勻,水波/沙丘波到處都有,是粒子構成的,有波粒二象性???波是一種物質???以幹涉衍射現象否定光是粒子,又去解釋粒子幹涉衍射,不是笑話是什麽???破壞了認知自然的核心根基“確定性” ………場::只能由源完全確定,不可觀測(源力不是場力,源能量不是場能量),不必要的,無質量無運動的多余虛幻想象。……地球場給你引力,你給地球場引力,然後地球場給地球引力。這是笑話!!!~~~場與波都是捕風捉影之法,意義很小,破壞巨大。……偉大的赫茲證明電磁波的實驗,激勵源都是電火花,當然是光子。用了電磁波來解釋而已。一個具體問題::電流磁場與電子磁矩啥關系???

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