波函数坍缩

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《闪烁者》核心设定:

假如一部分人无法让波函数坍缩


有人说“量子力学会影响你的世界观,越是研究,就越没法相信这个世界”。这本书的作者就用量子物理中的费曼双缝实验让人不禁产生“这个世界是假的吧”的怀疑。

首先看看书中对费曼双缝实验的简介。

相信大部分人都了解杨氏双缝实验,而费曼双缝实验中将杨氏双缝实验中的光换成了电子束,在原有设备添上一台探测器,外加一把热离子枪。热离子枪发射出的光子流会穿过这两条相邻的狭缝,形成的两道光波会在磷光屏幕上投射出影像。光波的频率会以设定好的规律互相干涉,让磷光屏幕上出现特征明显的图案。但还有一种方法,能让实验产生截然不同的结果,截然不同的图案。如果你在两条狭缝边各放一台探测器,你会发现在光子枪和磷光屏幕间的某处,光不再呈现出波的特性,而是仿佛一连串的粒子。

下面放上更直观的图片

理查德·费曼这么评价过双缝实验:“它是量子力学的核心。事实上,它充满了未解之谜。”整个物理学始终活在那场实验的阴影里。它是一条量子世界和相对论之间用物理学无法逾越的那条鸿沟。

有了大致理解后,接下来讲讲主角出于好奇做的第一阶段作死实验及结论

“你想见识一下魔法吗?”我问。他严肃地点点头。

“光是一种波。”我告诉他。我伸手摸到了探测器,打开开关——与此同时,干涉条纹消失了。“但如果有人在看,情况就不同了。”

哥本哈根诠释提出了那个基本的矛盾:观察是发生现象的必要条件。直到第一个目击者出现之前,现象都是不存在的。在那之前,存在的只有概率波。只有统计出来的近似值。就实验的目的而言,电子的表现也是种盖然论——其行进的路径不仅未知,而且在理论上不可知,具体表现为同时穿过两条狭缝的发散性概率波阵面。在狭缝的另一边,那些光波在传播的同时相互干涉,就像两条蛇穿过同一片池塘,激起的涟漪在向外扩张的过程中相互交错,在捕捉电子的屏幕上构成衍射图样。但如果狭缝边存在观测者,如果能够证明电子通行的路线,又会发生什么呢?在这种情况下,电子的移动将不再受概率的力量影响。可能性会在此坍缩,成为必然,成为测量后的事实。如果能证明某个粒子只通过了一条狭缝,就能得出它无法在传播中进行干涉的合理结论。但如果你只让光线通过两条狭缝,干涉图案就会形成。光子会慢慢地,一个接一个地组成干涉条纹。只用这些简单的实验设备,就能得出两种截然不同的理论结果。这种不一致看似矛盾,但它有一个前提。那个前提就是,干涉条纹只会在有人观测的时候消失。

另一段

“神奇的测试就要开始了,”我说,“我想看的就是这个。”我按下探测器的“清除”按钮,将数据消去。“这次实验跟上次一样,”我说,“探测器同样开着。唯一的区别就是,我没有查看探测数据就把它消除了。现在再看看屏幕吧。”萨提维克打开凹槽的盖子,拿出里面的屏幕。然后我在他的脸上看到了。那种难以置信,又不得不去相信的痛苦表情。“干涉条纹。”他说,“这怎么可能?” “这叫做逆因果。通过在实验结束后消除结果数据,我让这些电子从一开始就没有呈现出粒子的特性。”萨提维克沉默了整整五秒钟。“这种事真的有可能办到吗?”“看起来当然不可能,但事实就是如此。除非有意识的观测者去确认探测结果,否则探测器本身只是更加庞大的不确定系统中的一部分。”“我不明白。”“导致波函数坍缩的并不是探测器,而是有意识的观测者。意识就像聚光灯的光,它照到哪里,现实就会坍缩——而尚未观测到的地方,可能性依旧存在。而且不仅仅是光子和电子。而是万物。所有事物。它是现实中的一处谬误,可以测试和重复的谬误。

另一段(这段是为了大家易于理解的补充,可不看)

我们可以把量子力学看做统计近似值,用它来解决‘现实’本身的存储问题。因为全宇宙的数据之海浩瀚无边,而物质的表现就像频域。至于没有观测到的那些物质,就只是不重要的频率而已。既然没人会去体验,又何必将它转换成实物呢?

至此,第一阶段实验的结论可以概括为导致波函数坍缩的并不是探测器,而是有意识的观测者。

接着是主角的第二阶段作死实验及结论

主角请了研究电路的好友在探测器接上指示灯,指示灯在狭缝边的探测器发现电子时就熄灭,通过观察指示灯,让概率波坍缩,来确需要验证的原理:是否所有观测者都是生来平等的。

之后主角团将每一门、纲、目的生物都做了一次测试——尤其是灵长类动物。它们全都没能让波函数坍缩。也就是说,它们并不具备意识。于是,一篇揭露世界真相的论文就出来了。

物种与量子波函数坍缩

埃里克·阿格斯、萨提维克·帕斯汉卡、杰森·张。汉森研究所,波士顿,马萨诸塞州 摘 要

多项研究表明,所有量子体系都处于概率波形坍缩与未坍缩叠加的缺省状态。我们早已知道,主观的观测是波函数坍缩的必要条件。这项研究的目标,是找出能够以观测行为导致波函数坍缩的高阶分类群,并以系统树的形式阐明这些主要动物类群之间的关系。无法令波函数坍缩的物种可以视为更加庞大的不确定系统的一部分。此项研究在波士顿富兰克林公园动物园进行,对象包括多个纲的脊椎动物。我们在此宣告,在测试的对象中,人类是唯一能够在叠加状态的背景下引发波函数坍缩的物种,而此种能力似乎是人类所独有的衍生特性。此种能力很可能是在过去六百万年间的某个时点,在人类与黑猩猩的最近共同祖先之后才出现的。

这结论意味着人是地球上唯一有意识的生物,我们是孤独的。而除人类之外的,借用赫胥黎的一句话,动物只是某种较为高等的牵线木偶,进食时不会愉悦,哭泣时没有痛苦,没有欲求又一无所知,只是在模仿拥有智慧的模样。

第三阶段作死实验及结论

主角的电子工程师朋友优化了这项测试。他努力让测试简化、小型化和数字化,将它转变为产品。它成了“汉森双缝实验机”,一个小小的黑色盒子,配有式样简单的指示灯,以及小巧却高效的输出装置。绿灯表示“是”,红灯表示“否”。一个用来测试意识或者说灵魂的机器。

而一个财团希望一劳永逸地确认人类胎儿出现意识的确切时间。探究人类的生命是在何时成为生命的。于是他们找到好几位处于不同孕期的志愿者做实验,研究母亲腹中的孩子是在何时被赋予灵魂的。

实验结果比想象得更加离奇。大多数胎儿的确引发了波函数坍缩。但有些却没有。而且结果和胎龄毫无关系。

第四阶段作死实验及结论

既然在人类胚胎上做了实验,接下来轮到不同年龄段的人啦。第一次是主角的朋友做的测试。

“一个男孩。九岁大。我用盒子给他做了测试,而他没能让波函数坍缩。”

然后一发不可收拾。

测试还在继续。萨提维克找到了更多那种人。而且越来越多。“那他们是什么人?某种空集?不确定系统里的非玩家角色?”

直到得出结论:人类中的一部分没法让波函数坍缩!

暂时不提这个结论对物理学的影响,单单对人类社会而言,那些与众不同的人类会有何遭遇?人们会要求测试政府官员吗?或者法官?或者他们潜在的伴侣?它会带领我们去往何方?这些非人之人……他们会有怎样的下场?他们值得信任吗?我们应该把他们送进劳教营吗?应该屠杀他们吗?

关于书中费曼双缝实验设定的介绍就到此为止。书中将这些没有灵魂的人称为“命定者”,而书中还有一类人,他们可以自己决定是否导致波函数坍缩,被称为“闪烁者”,这又涉及书中“层级宇宙”的设定,我就不展开说了。

总之,毁天灭地啊有没有!一个费曼双缝实验引发的世界崩坏!

注:以上内容全部出于《闪烁者》这本科幻小说,没有任何在物理学研究上的实际意义。

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科幻世界译文版(2017.3月刊)作者 特德-科斯玛特卡

《闪烁者》的前身是作者的短篇《观察者》

参考链接:

https://www.zhihu.com/question/34850870/answer/214135074