量子力学的多重历史解释

量子力学的多重历史解释

量子力学是实验推动的，为了解释实验数据，建立数学方程。这些方程在应用中达到了令人惊异的准确度，但他们到底揭示了怎样的一幅世界图景，却一直争论不休，而且令人困惑。

从普朗克发现量子，已经过去了115年，量子的基本特性－不确定性已经被认为是物质世界的本质之一，但对量子论，尤其是不确定性的解释，仍不为绝大多数人所接受。对量子物理的科普，大多还停留在初创时的哥本哈根（薛定谔的猫）和多重宇宙解释上。其实随着量子论的发展，对不确定性的解释已经更加深刻了，这就是今天介绍的多重历史（也叫路径积分）解释，简介如下：

如果我们单纯谈论微观粒子，那么它们处于多种不确定性的叠加态，我们只能计算其概率。粒子随时间变化的历史路径，也在同时经历多重历史。但当我们关注某种复杂的特征，比如薛定谔猫的死活时，我们是在关注两族粒子的历史，一族是猫死，另一族是猫活。这时，除猫的死活特征外，两族粒子的多重历史相互抵消了，猫的死活成为确定态，猫不会经历死和活的多重历史，如果猫活，那么猫死的历史就没有发生，反之亦然。

对于所有粒子的集合（就是宇宙）来说，在一个时间段，每一个粒子都同时经历了多重历史，只是因为我们关注的问题都过于复杂和宏观，所以粒子的不确定性历史抵消了，我们看到的宏观特征都是确定的结果。当我们在实验中观察微观粒子状态，我们也只能关注某一宏观特征，如照片图形、仪表指针等，所以不确定性的多重历史相互抵消了，观测到的是确定结果。

这些不是信口一说，而是以费曼的路径积分方法为基础。费曼在上世纪40年代创立了路径积分方法，并证明了这种方法与海森堡矩阵和薛定谔方程是等效的，都是描述量子论的基本数学方法。路径积分是在时间上对粒子的所有状态求和，所以对应于粒子的多重历史路径。路径积分方法能计算某个特征对应的粒子多重历史抵消的条件，如果多重历史相互抵消了，叫退相干（decoherence），不能抵消叫相干。

我们所关注的特征分为两种，符合退相干条件的特征，所对应的历史是确定的，只有一种历史发生了。不符合退相干条件的特征，则对应着同时发生的多重历史。我们日常看到的确定历史，是建立在粒子多重历史的基础上，而其多重历史相互抵消的结果。

根据计算结果，如果要保持粒子多重历史相干（即保持不确定性的多重历史同时发生），必须是一个粒子很少的非常小的系统，人的感官所涉及的系统都太大了，只能观察到退相干的历史，不能观察到不确定的叠加态。

多重历史解释听起来比哥本哈根的“人类意识的观测使粒子不确定性坍缩”要令人信服多了，但它并不是一个唯物论的解释，它是说，宇宙是一个多重历史的叠加，因为我们关注了某一个宏观的特征，宇宙就呈现出确定性。事实上，如果我们关注不同的宏观特征，宇宙可能会呈现出不同的确定性。也就是说，宇宙的可观测状态，是由我们所要关注的宏观特征决定的。这应该不是一个支持唯物主义的观点吧？

霍金在《伟大设计》中，较详细地论述了多重历史解释，在此书中，他把科学总结成“依赖模型的实在论”，就是说，我们必须有一个模型，也就是确定关注哪种宏观特征，那么对于这个模型宇宙就符合实在论。

多重历史与量子论的多重宇宙（平行宇宙）解释有什么区别？多重宇宙解释是说，量子物理过程使宇宙分裂，不同宇宙分别对应粒子的多种不确定性（这种分裂不是现实的，而是数学意义上的）。根据多重宇宙解释，符合退相关条件的不同宏观特征也都在不同的宇宙中发生了，这就涉及了我们会在哪个宇宙里的问题，当这一问题与自我的状态形成自指时，就会产生量子永生的悖论。而根据多重历史解释，符合退相干条件的不同宏观特征，其历史是确定的，只有一个发生了，其他没有发生，不会产生由于自指而引发的悖论。

多重历史解释为量子计算机的设计提供了可能。量子计算机的核心技术，就是保持计算过程中的相干性，同时在多重历史中进行运算，所以量子计算机拥有比经典计算机强大得多的运算能力。量子计算机能否实现，现在尚无定论，如果实现，应该是多重历史解释的一个很好证明。

多重历史解释出现较晚，在科普中较少提及，并没有广为人知。但比起之前的解释，它更为合理，解决了很多矛盾之处，具有更深刻含义，可能更加接近现实的图景。

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