理论教育 无限可能的量子力学原理

无限可能的量子力学原理

时间:2023-09-24 理论教育 版权反馈
【摘要】:量子力学改变了一切。但量子力学中不存在“位置”和“速度”,我们认为的“位置”和“速度”只是用于观测、量度物理系统的人工产物。在量子力学中,真正存在的是波函数。在这一点上,我们应当注意,对量子力学的解释是公认的棘手问题,在细节方面大家的意见并不一致。量子力学中粒子的“位置”和“速度”并非基本概念,同样,“空间”本身也不是基本的。所以零能量的宇宙是完全有可能的。

无限可能的量子力学原理

量子力学改变了一切。量子力学与它的前辈——经典牛顿力学,最明显的差别在于,量子理论只允许我们预测系统处于某种状态的概率,我们无法提前知晓确切的结果。

但是两者的区别远不止于此。经典的粒子拥有可被测量的位置和速度。但量子力学中不存在“位置”和“速度”,我们认为的“位置”和“速度”只是用于观测、量度物理系统的人工产物。

在量子力学中,真正存在的是波函数。波函数是一些由薛定谔方程演化而来的数学对象,我们可以通过波函数来计算实验中观测到的某现象的概率。波函数是我们用于确定系统所处状态的最完整方式,即便它们总是为不同的测量对象赋予不同的概率(不确定性)。在这一点上,我们应当注意,对量子力学的解释是公认的棘手问题,在细节方面大家的意见并不一致。

量子力学中粒子的“位置”和“速度”并非基本概念,同样,“空间”本身也不是基本的。将“空间在膨胀”这一经典的陈述用量子语言改写后,就成了“宇宙的波函数是这样演化的:如果要测量宇宙的几何形态,我们很有可能观察到它是随时间膨胀的。”

预言了大爆炸奇点的广义相对论是个经典的理论。然而不幸的是,我们没有能够取代广义相对论的完整量子理论,至少现在还没有。所以我们所能做的最好表述就是:“宇宙的波函数极有可能这样演化:如果测量它在大爆炸附近的行为,我们很有可能观察到它发生反弹。”

表面上看,薛定谔方程无可争议地主宰着波函数的演化:时间不断流逝,从无穷远的过去到无穷远的将来。但其中有个可能的漏洞:如果时间不是现实的基本要素。(www.daowen.com)

物理学家们在讨论这样一种情况:时间可能是“涌现”的。涌现是讨论宏观物体的有效方法,但它并不讨论更深层结构。从这种观点看来,我们所感受到“时间的流逝”并非真正基本的自然运作方式,而只是有效的近似。它反映了宇宙波函数各部分之间的联系。

告诉我们波函数如何演化的薛定谔方程高度依赖于系统包含的能量。更恰当地说,薛定谔方程依赖于系统可能所处的各个不同状态的能量(归根到底,这是量子“力学”)。高能态演化得快,低能态“悠哉”些,而零能态根本不发生演化。如果时间是涌现的而非基本的,那么宇宙的总能量很可能为零。这看起来很荒唐——包罗万物的宇宙中肯定会包含能量。

如果仔细研究广义相对论的数学形式,你会发现时空不但是弯曲的,而且它的曲率还常常与负能量相关。所以零能量的宇宙是完全有可能的。具体而言,我们的宇宙从物质、辐射中获得正能量,但这些正能量被由时空曲率带来的负能量完全抵消。所以,宇宙的总能量恰好为零。

如果真是这样,时间就可能是涌现的,存在一个时钟开始“滴答”的最早时刻,在那以前不存在时间的概念。那便是大爆炸发生的时刻。

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