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【Dragon Ⅳ】【科普】龙族到量子—因果律,平行宇宙和改变过去

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从龙族到量子力学——谈谈因果律,平行宇宙和改变过去
在这一章中,江南似乎描述了一件很玄幻的事迹——奥丁改变了过去,路明非来到了另一条世界线,这条世界线中,楚子航没能逃出那个雨夜中的尼伯龙根
但是更玄幻的是,江南所描述的这件事情,并不是脱离科学的玄幻,而是现代物理学在研究微观世界中所提出来的一个合理的假说
时间旅行,多元宇宙,因果律与因果律武器,等等,这些话题经常地被各类玄幻题材的作品所引用,但是不知道有多少读者知道,这些理论与设定,并不是作者所想象出来的魔法一样的东西,而是出自人类科学史中最玄妙而奇特的一个理论:量子力学
下面就开始科普啦,会从因果律,量子,波函数与坍缩,多世界假说,时间旅行,改变过去的可能性来详细科普下这项比任何奇幻作家的想象力都要丰富的现代物理理论——量子力学
那么,开始了,这一切都是命运石之门的选择,El·psy·congroo


IP属地:浙江1楼2015-09-25 20:08回复
    先让我们看看龙族中的描写吧!
    “时间好像在若干年前分裂成了平行的两个,一个世界里有楚子航,超A级屠龙者楚子航,另一个世界里只有死去的鹿芒,其他人挤占了楚子航原本的空间。
    世界继续熙熙攘攘,少了谁地球都会照转。
    路明非一直生活在前一个世界,但现在他莫名其妙的掉进了后一个世界,亦或楚子航根本就是他的幻觉,世界不曾分裂,是他精神分裂,就像那部电影里疯掉的母亲那样。”
    “‘薛定谔的猫‘是个量子力学领域的悖论,这是1935年奥地利物理学家薛定谔提出的。说把一只猫放进一个小箱子里,箱子里有个装置可以放出毒气,把猫毒死。而这个小装置是用一个会衰变变的放射性原子核控制的,在未来的一个半衰期内,它要是衰变,就释放毒气毒死猫,要是不衰变就不会释放毒气,那么猫当然活着,在量子力学领域,我们没法确定一个原子核会不会衰变,只能说它衰变的可能性是50%,这是一个概率。”
    “所以猫有50%的机会会死?”路明非没听懂。
    “没那么简单,在量子力学领域,没有什么状态是确定的,那个原子核其实有两种状态,衰变的,和不衰变的,这两种状态以波函数的方式叠加使。”诺诺说,“这就是所谓的波粒二象性,在微观的世界里,物质也是一种波” “没懂。”路明非老老实实承认。 “不必懂,总之,按照量子力学的理论,箱子里的猫也有两种状态,死的和活的,以波函数的方式叠加起来。”诺诺说,“除非有个观察打开箱子看一眼,那一刻波函数坍塌,猫要么活着,要么死了。”
    “我说了‘薛定谔的猫’是个悖论,在正常人的理解范围内,箱子里的猫要么是活着要么死了,不可能是半死半活的,但在量子力学的范畴内,它就是半死半活的,你说的不错很玄妙。所以有种更加神奇的悖论说,世界也是多种状态叠加的,也许在楚子航15岁那年的雨夜,世界分裂出了两种可能性


    IP属地:浙江2楼2015-09-25 20:09
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      究竟什么是量子?量子代表了什么?
      先让我们从薛定谔的猫开始吧。
      薛定谔的猫如今已经成了最富有盛名的科学史话中的生物,地位堪比牛顿的苹果
      薛定谔的猫究竟在大众眼里是个什么样的存在呢?
      据说有人做过一个很有趣的调查,接近50%的人表示薛定谔的猫是生是死管他鸟事,另外有20%的人表示不能理解,猫怎么可能又死又活呢?这肯定表示的是猫有50%的可能性去死吧?最后还有30%的人觉得薛定谔一定是个虐猫狂。
      在我们开始解释这一切的时候之前
      让我们先好好的整理下究竟薛定谔的猫讲的是什么意思吧。
      在上个世纪初,物理学家发现了一个现象,也就是微观粒子表现出了一种奇特的特性——波粒二象性。粒子同时表现出了波和粒子的特性。大家都在高中时做过双缝干涉的实验,这说明了光是一种波,所以它在通过双缝的时候会出现干涉条纹。光·同·时·通过了双缝,然后自相干涉,形成条纹。
      请记住同时两个字,只有同时通过双缝的两束波,才有可能形成干涉条纹
      物理学家又对电子也做了一个实验,将电子隔着双缝一个一个依次地打向靶子,理论上,同一时间通过双缝的只有一个电子,而这个电子不是去了左边的缝,就是去了右边的缝,电子是一个粒子,它不可能同时通过两条缝吧?
      实验结果也不出所料,电子穿过缝打在靶子上,形成了一个点。但是神奇的事情在后面,随着电子地依次穿过双缝打中靶子,靶子上电子形成的点,逐渐形成了一个图案,而这个图案,就是大名鼎鼎的干涉条纹图案


      IP属地:浙江4楼2015-09-25 20:23
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        刚洗澡去了,回来继续


        IP属地:浙江8楼2015-09-25 20:48
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          这种情况,只有唯一地一个解释,那就是:电子在发射之后,就忽然从粒子变成了波,然后电子波同时穿过了双缝,命中了靶子,在命中靶子的一瞬间,电子从波又变回了粒子,所以显示在靶子上的印记,是一个个点而不是一圈波纹。
          这样才能解释为什么一个个发射的电子居然能自己与自己干涉形成干涉条纹。物理学家很满意,决定在刚才的装置上面加一个装置,以便验证这个假说
          他们在每条缝上都装了一个电子检测器,电子检测器可以检测到电子的通过,假如双缝的电子检测器都检测到了电子,那么就说明电子的确同时通过了双缝。。
          但是结果变得更奇怪了,电子检测器从来也没有同时通过双缝过,永远只有一个电子检测器能检测到电子。
          更奇怪的是,一旦物理学家开始检测电子,双缝干涉条纹就消失了,而物理学家一旦关闭电子检测器,双缝干涉条纹又出现了


          IP属地:浙江9楼2015-09-25 20:58
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            这意味着什么?当时没有人知道,大名鼎鼎的量子论教父——尼尔斯·波尔认为,这是一种特殊的物理现象,电子究竟是通过左缝还是右缝,取决于我们是否·观·察·了它,在我们没有观察的时候,电子并不是一个实在的粒子,它的动量与位置在·概·率·上·符合“薛定谔方程”,也就是说,既通过了左缝,也通过了右缝。当我们观察它的时候,它突然变成了一个实在的粒子,它要么通过了左缝,要么通过了右缝。
            也就是说,电子存在着两种状态,第一种状态它既通过了左缝,又通过了右缝。第二种状态,它要么通过了左缝,要么通过了右缝,从来也没有·同·时·通过双缝过。
            而电子究竟处于什么状态,取决于我们·是·否·观察了它。


            IP属地:浙江10楼2015-09-25 21:06
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              平行宇宙,多元宇宙,位面与次元,世界线,时间线,等等等等,无论这些东西有多么多的名词,它表达的其实是同一件事:有很多个平行的,通常情况下不会互相干扰的宇宙,这些宇宙互相之间有相似的地方,也有不同的地方。
              很多人了解到这个概念是由于霍金对时间悖论的解释中提到了这一假设,但是事实上,这一假设的提出,并不是为了解释时间悖论,而是为了解释量子力学中最奇特的特性——波函数的坍缩。
              多世界假说认为,不但量子是处于叠加态中的,事实上整个宇宙都处于叠加态中。让我们回归到最开始电子双缝干涉的实验中去吧,这个宇宙其实是同时存在于”电子通过了左边的缝“和”电子通过了右边的缝“的叠加态中,
              而在我们没有观察电子的时候,电子的波函数并没有坍缩,电子依然是既通过了左边的缝,又通过了右边的缝,而我们在观察电子的瞬间,电子的波函数依然没有坍缩,只是我们的宇宙,分裂成了两个——一个是电子通过了左边的缝,一个是电子通过了右边的缝。坍缩从来都没有发生过,宇宙依然是处于叠加态之中的,只是我们这些处于其中一个状态宇宙的观察者,只能观察到电子通过左边,或是右边的那个宇宙,另外一个宇宙与我们不相干,我们观察不到它。因此,在我们的视角中,仿佛电子的波函数坍缩了,电子从既左又右的奇妙叠加态中,一下子变成了确定左或是右的坍缩态下面。
              多世界假说的意义在于不用考虑坍缩这个及其特殊的特性,也不需要进入唯心论的怪圈。但是代价也是非常大的,它认为宇宙是多态叠加化的,某些科学家认为,为了解释电子究竟通过了哪个缝,要把整个宇宙都拖入泥坑中,这个理论其实违反了很多经验上的科学观念,其中某一条挺有名的,叫做奥卡姆剃刀原则,大家有兴趣可以去看看。按照奥卡姆剃刀原则,多世界假说的设定过于繁多,在简约性上不如哥本哈根解释,因此错误的可能大于哥本哈根解释。
              但是呢,多世界假说的副作用却成了很多科幻玄幻小说的灵感来源,存在无数个与现在世界相同又有所不同的宇宙,给穿越带来了无限地可能性


              IP属地:浙江22楼2015-09-25 22:10
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                让我们再回归龙族:
                “时间好像在若干年前分裂成了平行的两个,一个世界里有楚子航,超A级屠龙者楚子航,另一个世界里只有死去的鹿芒,其他人挤占了楚子航原本的空间。
                这特么不就是多世界假说么,两个平行的宇宙共同存在,只是其中的一个楚子航死了,另外一个并没有死,
                像不像那个电子的例子?两个平行的宇宙共同存在,只是其中的一个电子通过了左边的缝,而另外一个通过了右边的


                IP属地:浙江24楼2015-09-25 22:13
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                  但是假如你以为我对龙族4剧情的解释就到此为止,那你就大错特错了
                  多世界假说有个很特别的设定,那就是多个世界同时·真·实·存·在·。和命运石之门的世界线收束理论可是完全不一样的哦。既然多个世界真实存在,那么那个楚子航没有死的世界的奥丁把路明非扔到这个楚子航死了的世界里面,有任何意义吗?
                  而且这怎么解释最后的伏笔——龙族甚至能改变过去。
                  下面我要解释的是另一个对量子论的及其大胆的解释——多历史解释。
                  在讲多历史解释之前,我会先讲讲因果律,与因果律的崩坏


                  IP属地:浙江25楼2015-09-25 22:17
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                    之前的某一楼,我已经初步说明了在量子力学与微观环境中,时间箭头不再是不可逾越的。这里我会详细介绍另一个著名的实验与因果律的崩坏。
                    什么是因果律?因果律实际上是经典物理学最最最基础的根基,在因果律之上,有伽列略与牛顿的经典力学大厦,有法拉第与麦克斯韦的电磁理论高楼,还有站在20世纪物理学之巅的爱因斯坦与他的相对论。因果律的解释其实很简单:有因才有果,种因必得果。什么意思呢?用物理学的话语来举个例子,那就是:假设一个静态物体受到了一个力,那么这个物体会有加速度。加速度是受力的果,受力是加速度的因,物体受力作用必然会产生加速度,而物体有加速度一定是受到了力的作用。换句通俗的话来说:我踢球,球就会滚,球如果滚了,那是因为我在踢球。
                    各位吧友就要问了:这TM不是废话么。
                    嘿,真是你所认为的废话,因果律,这个宇宙所存在的根基,被量子论无情的突破了。
                    因果律代表的其实是信息顺着时间箭头的传递而产生各种各样的后果的这样一件事,而因果律虽然是所有经典物理学的根基,但是却·没·有·任何一个物理学法则的数学形式,严格定义了因果律·不·能·被·违·反·这一件事。
                    F=ma,大家都熟知的,牛顿第二定律,它可没告诉你加速度a的产生是因为力F的作用,数学形式上,牛顿第二定律也可以被解释为:力F的作用,是因为物体产生了a的加速度。
                    怎么样?够混乱吧?不够混乱的话我换个例子说:球滚了不是因为我踢了它一脚,反而是球滚了这件事情导致了我踢了它一脚这件事情的发生。
                    另一方面,时间箭头在数学形式上也是完全不存在的,Ft=Δmv,冲量等于动量差,谁告诉你冲量中的t一定要是正数了?数学可没有这么告诉你,这是物理学自相情愿强行加上去的。
                    不仅是牛顿力学,相对论也不需要时间箭头,事实上从来都没有人规定过光速不可超越,信息的传递对光速的超越只不过是会在数学上导致时间的倒退与因果律的损坏而已,因此对因果律深信不疑的所有物理学家,当然包括伟大的爱因斯坦,都认为这是不可能发生的事。
                    其实我们的数学早就已经告诉我们因果律与时间箭头的存在是不靠谱的了,只是我们的物理学自相情愿地认为世界上的所有事物都必须满足这一定则。
                    这一定则在宏观世界中是完全不会出错的,不然这个世界不是烂掉了么?我踢了球一下,球停了下来,而我不踢它,它却一下子飞出了大气层?我春天种了瓜,秋天没有收获瓜,反而收获了一堆豆子?等等等等。
                    为什么呢?前面已经说了绝大多数经典物理学不需要时间箭头与因果律的存在,但还是有一条物理定则是需要的,那就是热力学第二定律,也就是熵增定律,很多人都听过吧,封闭系统的熵永远只会增加而不会减少。
                    这个定律的例子很好举,一杯水中滴一滴墨水,很快这杯水就会变成一团浑浊,这个过程是不可逆的,你肯定没见过一滴墨水从一杯浑浊的墨水与水的混合物中自发的凝聚起来吧?
                    这一条定律规定了物理现象发生的方向性,而很多物理学家都相信,正是热力学第二定律的存在,导致了时间的方向性,也就是时间箭头的存在。
                    而因果律呢?很多物理学家甚至没有考虑到因果律,因为对于他们来说,因果律是对的不是天经地义的吗?
                    但是问题在于,热力学第二定律是一个统计定律,什么叫统计定律?也就是说,封闭系统的熵永远只会增加而不是减少,这件事情不是绝对的,有10^-100的可能性,那一滴墨水就自发的凝聚了起来,还回到了墨水瓶中。
                    那个10^-100的数字是我自己编的,实际数值只怕可能更低。
                    那么也就是说,因果律其实也只是个统计概率?并不是这个世界的本质属性?


                    IP属地:浙江32楼2015-09-25 22:48
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                      下面我就来解释究竟是怎样做到这一切的,何谓多历史解释?
                      改变过去,并不是时间上逆转,而是因果上的逆转。
                      因果律武器,究竟是什么东西?
                      明天再来码吧,太晚了,睡觉了


                      IP属地:浙江38楼2015-09-25 23:22
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                        今天由于在忙,所以没有更新,明天再更


                        IP属地:浙江来自iPhone客户端102楼2015-09-26 22:59
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                          我又来更新了
                          El·psy·congroo


                          IP属地:浙江122楼2015-09-27 16:50
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                            多历史假说最初的提出,和多世界假说一样,只是为了躲避“坍缩”这个让所有人头疼的过程。
                            顾名思义,多历史假说明显借鉴了多世界假说的观点,它认为:世界只有一个,但是一个量子过程,其实是由多个历史叠加而成的。
                            回归到当初的双缝试验中去吧,哥本哈根学派认为电子既通过了左缝,也通过了右缝。多世界假说认为,有两个世界在那一瞬间分裂了,其中一个世界中,电子通过了左缝,另一个世界中,电子通过了右缝。
                            多历史假说则认为,电子通过双缝,是电子击中靶子的“历史”,也就是“过去”,对于电子击中靶子这件事物而言,历史存在两个,其中一个历史是通过了左缝,另一个历史是通过了右缝,两个历史互相干扰,造成的结果就是形成了干涉条纹。
                            听起来很诡异是不是?但是多历史假说是有非常完备的数学形式的,具体的数学形式我也只是有所了解,并没有掌握,所以我在这里也不多介绍了。
                            那么为什么当我们开始在双缝上观测电子的时候,干涉条纹就消失了呢?正是因为我们的观测,让电子通过路径从两种历史的叠加态变成了一个确定的状态:电子不是通过了左缝,那就是通过了右缝,不再有两个历史互相干扰,干涉条纹也就消失了。
                            再让我们看看多历史假说在延迟实验中又能起到什么样的作用呢
                            在光子击中靶子之后,光子的过去其实是分为二个的,第一种是经过反射的路径,第二种是没有经过反射的路径,这两种过去同时作用,互相干扰,使光子出现了干涉条纹。而当我们改变反射镜反射度的时候,光子的其中一种过去立刻消失了,单过去的光子是无法形成干涉条纹的。
                            而我们改变反射镜这个动作,才是决定光子是否形成干涉条纹的原因,它是发生在光子击中靶子之前的,因此因果律并没有被违反,原因的确是发生在结果之前的。


                            IP属地:浙江125楼2015-09-27 17:29
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                              多历史假说看似解释的很完备,并且保留了因果律
                              但是细心的吧友可能已经发现了,多历史假说在某种程度上并不比哥本哈根解释好到哪里去
                              我们通过改变反射镜所改变的那个过去,依然发生在我们改变反射镜这件事物之前,而需要解释这一点,依然需要承认光子通过路径与光子击中靶子其实是同一个过程,并没有先后之分。


                              IP属地:浙江126楼2015-09-27 17:45
                              收起回复