量子平行宇宙理论和薛定谔的猫,这个很神奇没看懂

今天读到知乎用户十一点半的一篇文章的中的摘录的一部分, 这个实验让我涨见识了,很神奇

量子平行宇宙理论和薛定谔的猫

这一部分我们讲一下量子平行宇宙，顺便聊一聊那只让很多人都搞不清楚的薛定谔的猫。

只要在家里找到一根蜡烛、几张纸，再加上一把裁纸刀，你就可以在家里完成人类科学史最重要的实验之一——光的双缝干涉实验。这个实验的设置很简单，一个点光源所发出的光在通过两条狭缝后，被投射在 一个背景板上。当通过狭缝的光到达背景板上时，所投射出的并不是两条光带，而是 许多明暗相间的条纹。



出现这种明暗条纹的的原因是因为光是一种波。当光通过两条狭缝后，相当于在两个狭缝出口处产生了两条新的波。这两条波在背景板不同的位置上会产生干涉。在明条纹处，两条光波到达时它们的波峰刚好叠加在一起，波的强度加大，所以产生了较亮的条纹。而在暗条纹处，两条波的波峰和波谷刚好抵消，波的强度减弱，形成了较暗的条纹。下面的这张图所表示的就分别是这两种情形下波的叠加。在图片中，上面两条同相的波叠加形成了一条振幅更大的波，而下面两条反相的波叠加后刚好相互抵消。



这个实验最早是由托马斯·杨在1801年完成的， 他通过这个实验向人们完美地展现了光的波动性。 （在这里插一句，这个杨就是我的另外一个回答里曾经差点破解了古埃及文字的那个杨。）

在杨完成这个实验一百年后，也就是在20世纪初，随着量子理论的兴起，人们发现诸如电子这样的微小粒子居然可以也体现出波的特性。随着技术手段的进步，人们可以用电子代替光 来进行双缝实验。在电子双缝实验中，被发射出来的电子会先通过一块开有两条狭缝的板，然后落在一块感光屏上。

实验刚开始的时候，通过双缝的电子会随机地落在感光屏上，似乎并没有规律。但随着落在感光屏上的电子越来越多，一条条明暗相间的条纹就逐渐显现了出来。在明条纹处有较多的电子落在了感光屏上，而在暗条纹处只有较少的电子落下。下面的五张图片显示出了随着时间的推移，落在感光屏上的电子分布：


电子在感光屏上的这种分布模式，简直和杨的双缝试验中光的干涉条纹一模一样。 如果将两条狭缝中的一条关闭的话，这种干涉条纹就立刻消失了。这说明通过两条狭缝的电子 以波的形式产生了某种干涉。

在经典物理学中，电子作为一种粒子，它的运动轨迹被理解为类似于炮弹飞行弹道或是行星运行轨道一样的东西。但在电子双缝干涉试验中，这种粒子却表现出了一种光波一样的波动性。但这还是不是这个实验最令人费解的地方。在电子双缝干涉实验中，最令人费解的是下面这个事实（请大家认真读三遍）：

就算人们把电子一个个地单独发射出来通过双缝，最后所有落在感光屏上的电子还是可以形成干涉条纹。

就算人们把电子一个个地单独发射出来通过双缝，最后所有落在感光屏上的电子还是可以形成干涉条纹。

就算人们把电子一个个地单独发射出来通过双缝，最后所有落在感光屏上的电子还是可以形成干涉条纹。

为什么这是最令人费解的现象呢？请各位认真想想看，对于一个被单独发射出来的电子来说，它在通过其中一条狭缝的时候，它是怎么『知道』在这条狭缝的旁边还有另外一条狭缝，从而『决定』和其他的电子一起形成干涉条纹呢？要知道，对于一个小小的电子来说，两条狭缝之间的距离是一个非常大的尺度。如果把电子的尺寸放大到一个人那么大的话，两条狭缝间的距离可能已经有太阳系直径那么大了。这样的一个小小的电子，它是怎么知道在如此遥远的距离上『有』或者『没有』另一条狭缝呢？

如果你进一步思考这个问题，你会发现到感光屏上干涉条纹的形状是与两条狭缝之间的距离有关的。这就更加 让人感到不可思议了。难道通过狭缝的电子不但『知道』在遥远的地方开着一条狭缝，并且还在一瞬间『测量』出了这两条狭缝之间的距离吗？不然的话，电子们是如何根据狭缝间不同的距离来形成不同的干涉条纹的呢？

最后，对于一个被单独发射出来的孤零零的电子来说，它『不知道』在自己之前已经有多少电子落在了感光屏上，也『不知道』在自己之后还会有多少电子被发射过来。它是如何跟其他电子『约定』好各自在感光屏上的位置来形成干涉条纹的呢？

上面的这几个问题，每一个都在挑战着人类对于这个世界的认知极限。最后，有一群科学家认为，对于这些问题唯一合理的解释就是：每一个电子都同时通过了两条狭缝。

他们认为，电子并不像炮弹那样是按照某种确定的轨迹前进的，而是在空间中以某种概率波的形式前进的。在进行测量前，讨论电子的位置和运动轨迹是没有任何意义的，因为电子在空间的任何一个位置都有可能存在，只是存在的概率不同而已。换句话说，电子在空间中『处处都在，却又处处都不在』。在电子双缝干涉实验中，当电子被发射后，它就以概率波的形式向前传播，并同时穿过了两条狭缝。在这之后，穿过狭缝后的两条概率波之间相互发生了干涉，并形成了新的概率波。当这条新的概率波遇到感光屏时，感光屏的测量行为要求电子必须出现在一个具体的位置，于是电子的概率波就坍缩（Collapse）了，电子根据概率波的分布随机地出现在了感光屏的某处。当感光屏上集聚够足够多的电子之后，人们就可以根据电子的分布观察到两条概率波的干涉条纹。这种理论被称为『哥本哈根解释』（Copenhagen Interpretation），它也是目前对于量子现象的各种解释中被人们最广泛接受的一种理论。

另外一些人认为这种『每一个电子都同时通过了两个狭缝』的解释是一派胡言。他们在狭缝上装上了探测器，来检验一下每个电子到底是不是同时通过了两个狭缝。检测的结果如他们所愿，电子每次都只能通过其中的一个狭缝。但是，只要有一个狭缝上出现了探测器，感光屏上的干涉条纹就神秘地消失了。哥本哈根派的科学家对此解释说，安装探测器这一行为本身就是一种『测量』，它导致了电子概率波在狭缝处提前坍缩。既然概率波已经提前坍缩了，自然也无法在感光屏处形成干涉。

哥本哈根派强调，在测量前，粒子的各种可能性以一种『量子叠加态』的形式同时存在。但一旦进行测量，各种可能性就坍缩成了一种。如果不进行测量，电子就既通过了左缝又通过了右缝。而一旦对电子的行为进行测量，就会导致电子的量子叠加态坍缩成一种，电子将随机地选择一个狭缝通过。

在20世纪的前几十年中，许多科学界的大腕在爱因斯坦的带领下，对哥本哈根派提出了猛烈的抨击和质疑。正是为了反驳（注意是反驳！）哥本哈根派的理论，薛定谔提出了『薛定谔的猫』这个思想实验。

薛定谔敏锐地意识到，之所以世界上最聪明的一帮人会聚在一起讨论『量子叠加态』这种荒谬的概念，是因为哥本哈根派给出的例子都是电子、原子这种大家难以直接观测的微小粒子。对于这些在日常生活中看不见摸不着的东西，随便你怎么形容它们，大家也不会觉得有什么不对。

薛定谔于是决心设计一个思想实验，让大家看到『量子叠加态』是多么荒谬的一个概念。

想象一个放射性原子，薛定谔说，它有50%的几率衰变，也有50%的几率不会衰变。按照哥本哈根派的说法，在对它进行观测前，这个原子同时处于一种『衰变』和『不衰变』的叠加状态。只有当我们对这个原子进行观测时，它才会随机地坍缩成为一种确定的状态。

我们可以设计一个精密的毒气释放装置，并把它与这个原子连接起来。当原子衰变时，会触发装置上的一个开关并释放出毒气。当原子没有衰变时，则什么都不会发生。现在，如果我们把这台装置和一只猫一起放进一个封闭的箱子里，有趣的事情就发生了。

根据哥本哈根派的解释，只要我们不打开箱子进行观察，这个原子就是同时处于『衰变』和『不衰变』的叠加状态。那么箱子里面的仪器自然也是同时处于『释放毒气』和『不释放毒气』的叠加状态。再往下推理，箱子里的猫也是同时处于『死』和『活』的叠加状态。只有当我们打开箱子观察时，这只猫才会随机地选择一种状态出现在我们面前。

一只『既死又活』的猫无疑是十分荒谬的。薛定谔正是通过这个思想实验，把哥本哈根派的观点由一个原子推广到了我们日常生活中的事物中去，从而证明其观点的不合理。但事与愿违的是，哥本哈根解释经过多年的发展，现在仍然是接受度最高的关于量子现象的解释。而薛定谔的这只猫反倒成了关于量子理论最流行的大众文化符号。



哥本哈根解释虽然目前仍然是接受度最高的理论，但它也有一些内在的逻辑瑕疵。比如说，这个『坍缩』到底是怎么回事？为什么没人观察的时候，这些原子可以同时处于几种量子叠加状态，而一有人观察它们就『坍缩』到了一种确定的状态上去？难道我们人类在宇宙之中就这么重要吗？

另外，究竟要需要怎样的一个观测者才能导致量子态的『坍缩』呢？是不是一定要一个量子物理学家进行观测才可以？一个婴儿进行观测可以吗？一只猫、一只老鼠、一个细菌呢？

面对这些难以解释的问题，有人提出了另外一种不同的解释：多宇宙解释（Many Worlds Interpretation）。这也是本节要介绍的量子平行宇宙理论。

有了前面这么长的铺垫，量子平行宇宙理论就很容易理解了。这种理论认为，在我们进行观测时，并没有什么『坍缩』发生，而是整个宇宙分裂成了几个平行宇宙，每个宇宙对应着一个不同的量子结果。例如在电子双缝实验中，当电子通过双缝时，整个宇宙就分裂成了两个平行宇宙。在一个宇宙中电子通过了左缝，在另外一个宇宙中电子通过了右缝，我们只不过被随机地分配到其中的一个宇宙之中而已。如果我们观察到电子通过了左缝，那么在另外一个平行宇宙中，会有一群跟我们一模一样的人观察到电子通过了右缝。

对于薛定谔的猫来说，在我们打开箱子之前宇宙就已经进行了分裂。我们被随机地分配到了『死猫』或者『活猫』宇宙中，只不过我们需要打开箱子才能发现这个结果而已。如果我们打开箱子看到薛定谔的猫活得好好的，那么在另外一个平行宇宙中，我们正围在箱子旁讨论猫为什么死掉了。



那么如何解释电子通过双缝后的干涉条纹呢？既然整个宇宙在电子通过双缝的一刹那已经分裂成两个，那它们之间为什么还能相互影响并形成干涉条纹呢？这是因为当引起宇宙分裂的粒子足够少时，两个平行宇宙之间还可以产生微弱的联系。换句话说，在『左缝宇宙』中的电子还可以感知到『右缝宇宙』的存在，从而与右缝宇宙中的电子进行干涉。而一旦涉及到的粒子数量增多，两个平行宇宙之间的联系就会被切断，用物理学家的话来说，它们的已经退相干了（Decoherence）。这也是为什么每当我们对电子通过那条缝进行观测时，干涉条纹就立刻消失了。因为观测用的仪器和人类都是由数量众多的粒子所组成，这些粒子的介入会切断两个平行宇宙之间的联系，从而导致干涉条纹的消失。

这种多世界解释听起来似乎过于大动干戈，为了解释一个电子通过双缝的问题竟然不惜让整个宇宙进行分裂。但它确实避开了哥本哈根解释中『观察者导致坍缩』这个略显尴尬的问题。虽然哥本哈根解释仍然是当下科学界中最流行的理论，但在几次科学会议上进行的调查问卷中，多世界理论都作为第二受欢迎的选项紧跟其后。