第206章 三维膜
高子瘾2021-08-01 16:233,230

  想象你正在给你的手机贴膜。在正常情况下,手机膜应该是和屏幕紧密贴合在一起的。

  但是偶然地,手机膜和屏幕之间会出现一个小气泡。这个小气泡的出现是由一些小概率事件引起的,比如手机膜上有灰尘,或是你贴的时候用力不均匀。

  总之,这个小气泡是你在贴膜过程中会偶然出现的一小块异常区域。现在,想象你在给一个无限大的手机贴膜。尽管你很小心,但是在手机膜和屏幕之间还是不可避免地会出现无数的小气泡。

  在永恒暴胀理论中,宇宙的暴胀永远不会停止。但是,由于某种量子机制导致的随机性,在宇宙中的一些地方暴胀很偶然地停止了,你可以把这些地方想象成我们刚刚讲过的小气泡。

  在这些小气泡中,暴胀场的能量转化成了粒子,粒子又形成了物质,物质形成了星系。在其中的一个小气泡里,这些物质中的一小部分形成了太阳、地球、以及你和我。

  这样的小气泡被称为口袋宇宙(PocketUniverse)。

  按照暴胀理论的说法,整个宇宙中有无数多个这样的口袋宇宙,而我们就生活在其中的一个之内。

  在我们与其他口袋宇宙之间,是永远处于暴胀之中的宇宙空间(你可以再想一下前面描述过的暴胀的速度)。

  在这持续暴胀的宇宙空间中,每一秒钟都有新的口袋宇宙被随机地创造出来。

  还有一些理论,是那些跟弦论有关的平行宇宙理论。

  前面讲过,弦论中的很多概念都像是一个科学家喝多了之后的疯言疯语,比如宇宙时空是10维的,比如所有的粒子都是由一根振动的弦构成的,不同的振动模式对应不同的性质。除了弦之外,弦论里面还有膜,从1维膜,2维膜一直到9维膜。

  我估计你已经困了……。

  总之,某些版本的弦论认为我们生活在一个三维膜之中。

  宇宙中还有许许多多其他的三维膜,跟我们所在的三维膜堆叠在一起,好像一层层摞起来的饼干。

  不同的膜就代表不同的世界,但是显然弦论中的某些计算表明所有的粒子都无法离开自己所在的三维膜,所以我们无法进入其他的平行世界中去,尽管在另外一个维度上我们可能相距只有一毫米。在弦论中,只有引力可以不受这种限制,自由地达到其他的三维膜。这叫做膜平行宇宙(BraneMultiverse)。

  接着,还有量子平行宇宙理论的存在。

  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。

  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。

  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?

  你认真想想看,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(这就是无法证明它存在,同时也无法证明它不存在)。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(CopenhagenInterpretation),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。

继续阅读:第207章 薛定谔的猫

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