薛定谔的猫：量子多宇宙理论的新解？

薛定谔的猫：量子多宇宙理论的新解？

1935年，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔提出了一个著名的思想实验——薛定谔的猫。这个实验设想将一只猫、一个放射性原子、一个探测器、一个锤子和一个装有毒气的瓶子一起放进一个封闭的盒子里。放射性原子有50%的概率在一个小时内衰变，如果衰变发生，探测器会接收到信号，触发锤子砸碎毒气瓶，猫就会死亡；如果衰变没有发生，猫则安然无恙。

在经典物理学中，一个小时后，猫只有一种状态，要么死，要么活。但在量子力学中，在盒子被打开之前，放射性原子处于衰变和未衰变的叠加态，因此，猫也处于既死又活的叠加态。只有当我们打开盒子进行观察时，猫的状态才会确定下来。这个思想实验看似荒谬，却深刻地揭示了量子世界的奇特性质。

为了解释这种量子叠加态和波函数坍缩现象，物理学家提出了多种理论解释。其中，最著名的当属哥本哈根诠释和量子多宇宙理论。

哥本哈根诠释由尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡在1927年提出，主张波函数的坍缩是由观测引起的。然而，这种解释面临着一个根本性的难题：观测者本身也是量子系统的一部分，那么谁来观测观测者？这种无限递归的逻辑困境使得哥本哈根诠释在解释宇宙整体时显得力不从心。

为了解决这一难题，美国物理学家休·埃弗雷特在1957年提出了量子多宇宙理论，也称为“相对态”构想。埃弗雷特认为，波函数不会真的坍缩，而是每一次量子测量都会导致宇宙分裂成多个平行宇宙，每个宇宙对应一个可能的测量结果。以“薛定谔的猫”为例，按照多重宇宙假说，当我们打开盒子时，宇宙分裂成了两个：在一个宇宙里，猫是活的；在另一个宇宙里，猫是死的。这两个宇宙都是真实的，只是我们只能感知到其中的一个。

近年来，量子多宇宙理论得到了新的发展和验证。西班牙巴塞罗那自治大学的理论物理学家Philipp Strasberg、Teresa E.Reinhard和Joseph Schindler利用第一性原理展示了现有景观中粒子的纠缠是如何将薛定谔的猫从自己的方程式中拖出的，无论是死是活，但绝不会介于两者之间。

他们的研究表明，量子系统的每一种可能性都构成了一个独立的宇宙。通过粒子纠缠的数学模型，他们展示了为什么观察后猫总是以单一状态出现。具体来说，相互作用的绝对规模以一种抑制可能性的方式迅速建立，直到保持单一状态。换句话说，考虑到薛定谔这只猫周围的宇宙的复杂性，它包括盒子、观察者、它们所在的建筑，以及远远超出的东西，随着时间的推移，环境与活态和死态之间快速增长的相互作用意味着两者不会混合在一起。

尽管量子多宇宙理论提供了一个优雅的解决方案，但它也面临着一些挑战。例如，物理学家Sandu Popescu和Daniel Collins的研究表明，多重宇宙假说可能与物理学中的守恒定律相悖。然而，Popescu和Collins进一步指出，如果将“制备者”纳入系统，动量在整个测量过程中仍然是守恒的。这表明，被测系统与“制备者”之间存在着某种“纠缠”，使得动量的“损失”与“获得”在两者之间达成了一种微妙的平衡。

量子多宇宙理论作为量子力学中最具争议的理论之一，至今仍然吸引着众多物理学家的关注。它不仅与我们对现实的直观理解产生了激烈的冲突，也与量子引力、黑洞信息等前沿领域密切相关。随着量子计算和量子通信技术的发展，我们有望在实验上进一步验证这一理论，从而更深入地理解宇宙的本质。

薛定谔的猫思想实验，作为量子力学中最著名的思想实验之一，不仅在物理学界引发了广泛的讨论，也成为了哲学和文化领域中讨论不确定性和观测问题的重要参考。这个实验强调了观测者在量子力学中的作用，挑战了我们对客观现实的传统理解。实验的提出，推动了量子力学从纯粹的理论走向了实际应用和技术发展，如量子计算和量子通信等领域。同时，它也启发了人们对于宇宙和生命本质的新思考，促使科学与哲学的交融。薛定谔的猫思想实验，作为一个永恒的谜题，将继续激发科学家和思想家的探索精神，推动科学前沿的不断发展。