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2022年諾獎揭示量子糾纏研究,同時也暗示了時間實際上可能不存在!
2023/04/05

2022年諾獎揭示量子糾纏研究,同時也暗示了時間實際上可能不存在!

1922年,諾貝爾物理學獎授予了年輕的丹麥科學家尼爾斯·玻爾,他致力于理解原子的結構,我們似乎只需要再邁進一步,就能揭開宇宙微觀的秘密了。

然而,100年后的2022年,物理學諾貝爾獎授予了阿蘭·阿斯佩,約翰·克勞澤和安東·塞林格三位研究量子糾纏并證明了相反觀點的科學家,即宇宙本身對其最小粒子的運動毫無頭緒。此外,在某個尺度上,現實并不存在。

然而,這怎麼可能呢?遺憾的是,我們越是試圖探究物理學的基本定律,就會發現我們的世界就越是變得離奇,直到我們開始懷疑我們所認知的宇宙是否真的存在。

這個宇宙的絕大部分對于現在我們人類而言是不可見的,即使是愛因斯坦自己也被這一點所震驚并為之感到不安。

想想看,加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室在一個試圖誘導核聚變點火的實驗中,實驗室最先進的激光器由于無法預見的量子效應而失敗,導致一次極具威力的爆炸,將整個建筑物炸成廢墟,數百名員工被埋在廢墟下。幾個小時后,美國官方發布了一份聲明,公布了這場可怕事故的死亡人數。

就在那個時刻,數千公里之外,一股未知的力量將加利福尼亞州的死者和幸存者轉移到了醫院里。在這場事故中的傷亡數字還沒有被報道出來之前,所有這些人既不是活著的,也不是死去的。

怎麼形容呢?就像此時此刻,自己視野所見之內才是確定的真實狀態,也就是說,自己視野之外的一切狀態都是不確定的。

你可能暫時難以理解這樣的說法,愛因斯坦和他的一大批粉絲也會贊同你,他們堅信現實存在于宇宙中任何時候的任何層面上的,從星系團到個體再到基本粒子。換句話說就是,現實存在于任何地方和任何時間,只是我們不夠快,無法親眼看到。

在這場事故中,我們能確定被掩埋的人的狀態到底是活著還是死去,而不是第三種未知的狀態。

總之,即使在遠離科學家窺探目光的情況下,光子也可以在某些實驗中顯示出奇怪的行為。

而對于原子中的光子和電子來說,它們必須具有嚴格定義的參數,盡管這確實是我們宇宙中的必要條件,但情況有些不同。愛因斯坦的現實主義在已經熟悉的原子模型的發現中出現了另一位強有力的對手——尼爾斯·玻爾。

到了1927年,著名的雙縫實驗已經證明,無論是光子還是電子都不能決定它們是波還是粒子,它們選擇同時成為這兩種狀態,每種選項都是不確定的。

而項目中提到的「量子糾纏」,成了愛因斯坦這個現實主義者最為擔心的事情。科學家們早就注意到,由一個源產生的粒子可以展現出相互關聯的特征。

如果其中一個粒子在一處測量了量子自旋,則另一個粒子的自旋值就會被定義為-1,即使它沒被測量。也就是說,當一個粒子被觀察確定狀態后,與它配對的粒子就會是一個相反狀態,不論它們之間的距離有多遠,它們似乎被一條隱形的紐帶綁在了一起。

即使它們分別處于地球的兩極,這種聯系仍然存在。

尼爾斯·玻爾認為,量子自旋并不是預先定義的,只有在測量時才會假定兩個值中的一個,因此,宇宙其實在其微觀現實中玩著骰子的游戲,這讓愛因斯坦更加不喜歡這種不確定性。

在某些情況下,一個粒子的信息會被傳遞給另一個粒子,而且速度比光速還快。

愛因斯坦稱之為「幽靈般的遙距作用」,并宣稱這種現象根本就不存在。根據他的理論,粒子從一開始就知道它們的狀態,并且,沒有這些隨機事件和神秘行為它們也可以良好的運作。

和玻爾的爭議在學界一直持續到今天。雖然量子力學已經成功解釋了實驗結果并成為現代物理學的基石,但仍有科學家試圖尋找一種理論來解釋這些現象,既能夠保持實驗結果的準確性,同時也能符合我們的日常經驗。

1964年,愛爾蘭物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾想出了一個方法來確定隱藏的變量是否是真實存在的。

然后,他就發現了一個杰出的定理,有兩位科學家艾麗斯和鮑勃各自擁有一個箱子,里面有一個紅球和一個綠球。

他們可以選擇打開一個箱子,然后將球取出并測量它的顏色.

根據貝爾的計算,如果愛因斯坦是對的,粒子確實從一開始就隱藏了自己的值,那麼在大多數情況下,艾麗絲和鮑勃將會有75%的幾率匹配。

但如果尼爾斯·玻爾是正確的,即直到最后一刻宇宙才知道粒子的自旋狀態,那麼艾麗絲和鮑勃的結果在進一步的迭代中將有85%的情況下匹配。

這是非常具有挑戰性,也是值得獲得諾貝爾獎的具體實驗。

數年過去了,當物理學家們專注于他們的設備時,天文學家通過探索宇宙空間,并探測到了現實主義者愛因斯坦所預測的一個悖論物體——第一個黑洞。

這種物體的存在本身就挑戰了人們的認知。

那麼,愛因斯坦的深刻洞見是如何摧毀了我們通常所認知的時間作為宇宙的基本特性呢?

我們幾乎從來沒有意識到,當你在做一些簡單的事情的時候,比如穿越馬路,這對于另一個星系的某個人來說,你瞬間變老了一百年。

如果你想讓自己的時間過的更慢,當你在黑洞周圍的時候,地球上的每個人在你看來都會加速老化。

這樣的時間觀念可能會讓17世紀的牛頓爵士憤怒到錘爛棺材板,跳起來大罵,因為他將時間視為適用于整個宇宙的計數器。

牛頓認為不管在哪里,無論是地球表面、木星軌道上還是遙遠的太空中,一秒鐘始終都是一秒鐘。

更重要的是,宇宙中所有的位置都統一在一個現在時,簡單的說就是,在地球現在的時間,也是我們當前整個宇宙所處的時間,就是這麼簡單而直觀的世界觀。

但是,那時代的另一位天才戈特弗里德·萊布尼茨向牛頓提出了一個相當令人不舒服的問題,萊布尼茨說:如果我們從宇宙中移除了所有物質,那麼時間會發生什麼變化呢?

牛頓肯定地回答說,時間會像什麼也沒發生一樣繼續流逝。

但是萊布尼茨并不認同,他認為如果所有可以體驗時間的東西都消失了的話,那麼時間也同樣會消失。

換句話說,萊布尼茨聲稱時間是相對的,而牛頓毫不猶豫地稱之為無稽之談,并利用

他在科學界的所有手段來壓制萊布尼茨的想法。

200年后,詹姆斯·克拉克·麥克斯韋向世界展示了他的革命性方程。

這些方程提供了電磁學的完整描述,而科學家們在其中發現了一個奇怪的怪異現象。

在這些公式中,重要的是時間的變化而不是它的方向。

簡單地說:當兩個電子碰撞并因它們的電荷相同而相互排斥并反彈時,你可以在不違反電磁學定律的情況下無限地倒帶時間。

此外,如果你只觀察電子之間的相互作用,你永遠不會知道時間朝哪個方向流動,你只知道它在變化。

這種時間的相對性啟發了愛因斯坦的理論,但他并沒有就此停止腳步,愛因斯坦猜想,時間并不是牛頓的普適計數器,而是一個浮動的參數,它強烈依賴于上下文,正如萊布尼茨所預測的那樣。

對于你的時鐘來說,最重要的是你在空間中的位置,大品質物體會扭曲宇宙的結構,因此,深空中的宇航員會認為地球和木星上的時鐘比較慢一點。

而對于地球上的人來說,一個秒仍然會像往常一樣持續一秒,而在木星上會稍微短一些,在宇航員的鐘表上會稍微領先。

如果我們將它送到黑洞,對他們來說的一秒可能會變成地球上的一百秒,也可能是許多年的差距,正所謂,我們神話中所說的天上一天地上一年。

如果宇航員乘坐接近光速的宇宙飛船旅行,同樣的效果也會出現。

所有這一切都意味著,由于某種原因,在宇宙中并不是單一的「現在」,答案將根據您問的人而變化,每個人相對來說都有自己的一個時間。

愛因斯坦的理論表明,如果宇宙飛船突然減速,那麼它的乘員將感覺時間過得更快,而地球上的人將會感覺時間過得更慢。

這就是為什麼在接近光速時,時間似乎會變得不同,因為它取決于你當下的速度和位置。

而且如果有一個適當的觀察點,不需要任何加速就能感覺到時間巨大的差異。

一個位于可觀測宇宙邊緣的星系正在以驚人的速度遠離地球移動時,對于觀察者來說,你過馬路所花費的十秒在對方看來可能你用了一百年。

我們的每一次速度和位置變化,都會讓自己的時間進行改變,但自己并沒有感受到什麼不同,這是因為相對于空間中的物體,每個物體的時間是單獨存在的。

量子糾纏實驗,讓過去的物理學家們感到更加困惑。

到了1972年,美國物理學家約翰·克勞澤找到了一種測試貝爾定理的方法,這個定理涉及了奇怪的量子物理學假設,其中就有不存在現實的概念。

克勞澤的實驗并非檢查兩個糾纏粒子之間的信號速度,而是檢查它們之間的關聯,這些關聯是超越了物理界限的。

在物理學家的實驗中,愛麗絲和鮑勃分別轉動他們的探測器,這只有兩種結果:光子在兩側都被探測到,或因為探測器的設置而在兩側都沒有顯示。

這個實驗的重點在于觀察探測器的設置如何影響光子的極化,即空間中它們的波長相對長度。

并且在其他情況下,結果當然是不匹配的。

如果愛因斯坦關于光子的隱藏但預定義變量是正確的,那麼匹配的比例不會超過75%。

而約翰·克勞澤的實驗表明,匹配和不匹配的比例甚至高達85%到15%。

貝爾定理被證明是正確的,因此對于單個粒子而言,宇宙實際上沒有任何明確的現實。

但是,愛因斯坦的追隨者們仍有一個漏洞。

問題在于,愛麗絲和鮑勃如何轉動他們的探測器,想要達到絕對隨機是根本不可能的。

那麼,如果現實的隱藏變量不是存在于光子本身中,而是存在于實驗者對粒子探測器的操作中,那該怎麼辦呢?

這種觀察者效應也可以應用于整個宇宙。

如果我們周圍的現實是我們自己行動的產物呢?

如今,沒有人會懷疑宇宙大爆炸理論的存在,但如果我們猜想它在遙遠的過去發生之前并不存在呢?

這聽起來就是一個非常瘋狂的想法。

在尼爾斯·玻爾的觀點中,通過觀察實驗,一個人不僅讓粒子識別了它們的變量,還讓它們變得真實。

而且,一旦科學家離開,那里的一切都將不復存在。

這種對現實的極端觀點讓愛因斯坦非常不滿,他拿著一張月亮的照片有些不高興地向助手問道:「你真的相信月亮在你不看它的時候就不存在嗎?」

大膽的量子理論家們則給出了肯定的回答。

約翰·阿奇博爾德·惠勒(John Archibald Wheeler)是尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)的學生。

起初,在奇怪的想法方面,他似乎比老師玻爾更勝一籌。

在上個世紀40年代末,惠勒半開玩笑地說:整個宇宙中就只有一個電子。

據他的說法,首先,這些粒子是相同的,很可能是同一個物體,其次,如果時間倒流,我們所熟悉的負電子隨著時間從過去穿越到未來,對我們來說,它看起來就像帶正電的正電子。

因此,一個電子可能會不停地穿越時間,來回地反復橫跳,逐個構成地球上的每一個原子。這聽起來就很離奇,匪夷所思,但物理學并不禁止這種大膽的猜想。

約翰·惠勒(John Wheeler)的想象力最終被一個與現實本質有關的更大膽的理論所吸引,就是參與性宇宙的理論。

該理論認為,物理定律與現實的觀察者,也就是你和我,一樣參與了現實的創造。

惠勒本人將其比作老游戲「20個問題」。

愛麗絲和鮑勃必須通過向對方提出簡單的是或否問題來猜測物體,如果問題足夠深思熟慮且精確,一個有經驗的玩家甚至可以在不到20步的步驟中輕松猜出物體。

這就是惠勒認為我們與現實互動可能會有一個顯著差異的情況,其中有一個重要的區別,那就是當宇宙本身回答鮑勃的問題時,它并不真正公平。

當鮑勃提出問題時,宇宙并不會公平地回答是或否,而是完全隨機的,因為它實際上甚至可能連想都沒想過,但僅憑鮑勃的問題內容就足以讓宇宙提供明確的答案,因此,宇宙似乎從一開始就知道了它所要展示的內容。

惠勒稱這個原則為「從位」(it from bit),暗示著簡單的問題和「是」或「否」這樣類似的二元答案,實際上可以從無到有地創造宇宙的現實。

這意味著月球不是數十億年前出現的,而是在某個地球上的人抬頭看的那一刻才出現的。

同樣地,遠古時期的宇宙大爆炸也是由20世紀科學家們思考著星系為何會四處飛行的這個正確問題后創建的。

因此,這個理論表明,宇宙和我們觀察者狀態是相互依存的,而現實本身就像是宇宙對于我們提問后的答案反饋。

就比如,當觀看我的影片沒點贊的朋友,在我的現實中,你是不存在的。

但是,為什麼我們每個人的現實都是一樣的呢?根據惠勒的理論,宇宙是具有能夠同時給出所有觀察者最佳和最精確答案的現實。

粗略地說,我們目光所看到的就是由我們共同創造的。其實,有點像現在的游戲渲染技術,顯卡只會渲染當前角色視野范圍內的一切,而視野之外的都不用處理,因為它們根本就不存在。

如果這是真的,那麼誰有權向宇宙提問呢?僅僅只有像人類這樣擁有如此高地位的智慧生命嗎?

或者,狼通過對月亮的叫第一次讓月亮現實化麼?

那拍攝月亮照片所用的膠片呢?

這個矛盾實際上就是參與式理論中的一部分。

然而,約翰·惠勒(John Wheeler)終其一生也未能完成他潛在的革命性理論,因為超級觀察者的復雜性使問題變得復雜。

在量子糾纏的諾貝爾獎獲獎實驗中,法國科學家阿蘭·阿斯佩(Alain Aspect)花了10年時間完全排除了實驗者對實驗的影響。

在光子實驗的核心仍然是一樣的,而阿斯佩所做的不同之處在于他在每一邊都放置了幾個帶有固定預設的探測器,并在它們前面放置了特殊的石英晶體。

它們的作用是將光子偏轉到這個或那個探測器,而不依賴于人類的干預以保持糾纏狀態的完整性。

結果很容易地與貝爾的理論進行比較,也就是說,可以計算出匹配率,而且可以確定這些匹配不是由實驗者自己引起的。

阿斯佩進行了大量的測量,更有力地證明了在粒子層面上,宇宙并不是真實的,直到它被

測量并被迫做出選擇。

即使如此,如果脫離了實驗者的干預,那麼這些微觀粒子之間的糾纏關系將會一直存在嗎?這就是約翰·惠勒要問宇宙的問題。

但,即便阿斯佩用他的晶體取得了成功,而愛因斯坦的追隨者們仍然有最后的希望,就是那些引導微粒如何行動的隱藏變量是否潛藏在晶體中這個問題。

似乎無論科學家們嘗試多少次探索宇宙的核心,它總是能夠隨機應變地提出新的含糊不清的借口。

仿佛一個客觀的真實世界不僅在粒子層面上不存在,那麼我們的世界將會剩下什麼呢?

近年來,更多的研究者開始將注意力轉向精神層面,認為意識本身可能是創造現實的源頭,而非它的反映。

這個觀點被稱為「意識本原論」或「心靈導向」。雖然這個觀點仍然有待進一步的證實和探討,但它提供了一種截然不同的看待現實的方式,讓我們重新思考了我們對世界的理解。

越來越多的科學家傾向于相信,我們周圍的不是真實的現實,而是幻影。

2015年,加州大學的認知心理學家唐納德·霍夫曼發表了一篇驚人的文章,提出了所謂的界面理論。

現在,你正在用電腦或智能手機的屏幕觀看這個視訊,你可以看到,自視訊開始以來過去了多少分鐘和秒數,如果你沒看懂,你可以暫停或倒帶。

請別誤會,我不是在評判你。你所使用的整個界面是由你的設備中的處理器所生成的。

但是,如果你只看到屏幕上的像素,你能找出它們是如何工作的嗎?

唐納德·霍夫曼問道:如果,在我們從設備中抬起頭來看,并能看到由我們自己所創建的宇宙的接口時,那會怎樣?

而我們的眼睛,也只是能感知到貫穿整個宇宙的電磁波譜中微小的不到百分之一的部分,就像無論你如何努力,都無法看到房間里的 Wi-Fi 信號一樣。

唐納德·霍夫曼認為,人類進化出這種感知方式是為了生存,因為視覺對我們的祖先是非常重要的,眼睛可以讓他們在叢林中發現危險的動物。

但那個時候他們并沒有面臨過輻射,這對人類來說同樣是危險的。

在我們不完美的感知中,宇宙的基本特性有時會顯現出來,讓我們進一步對其現實性產生懷疑。

因此,現在我們需要特殊的工具來觀察它,以在人為災害中看到輻射。

也因此,我們人類的界面根本不適合研究宇宙的實際現實。

德國物理學家馬克斯·普朗克在20世紀初期,決定推導出新的測量單位,這些單位不

依賴于平常生活的米或英尺,而是遵循宇宙本身的客觀屬性——即普朗克長度。

它基于三個自然常數,這個長度如此之短,即使我們將原子放大到地球大小,也仍然無法區分出普朗克長度,它比一根頭髮還要細。

他還從這個單位中推導出了普朗克時間,即光子通過一個普朗克長度所需的時間。

這些單位在我們的層面上來看都非常非常的小,這些高度不實用的單位并不是科學的怪異現象,實際上,普朗克推導出了空間和時間的最小分辨率,超過這個點,所有已知的物理定律都將無法繼續發揮作用。

從而,整個宇宙似乎也失去了任何意義,有些人隱喻性地稱這些像素構成了時空本身,就像它是屏幕上的圖像一樣。

那麼,如果普朗克真的深入研究了這個虛幻的宇宙界面,會怎麼樣呢?

但是真正讓科學家感到不安的是這個神秘的數字,即所謂的精細結構常數,非常接近137,它不是米、秒或任何實際量度,只是一個奇怪的系數,在各種公式中都有出現。

精細結構常數是一個與電磁相互作用相關的基本常數,通常用符號α表示。

它通常出現在各種物理公式中,包括電磁場和光子的相互作用,以及原子和分子的結構等。精細結構常數的存在,表明了電子在原子中的行為方式,以及基本粒子之間相互作用的基本性質。

它是一個非常重要的常數,對于我們理解宇宙的基本性質是非常關鍵的。

似乎所有事物都像精細結構常數一樣,作為我們宇宙中幾乎所有相互作用的基礎。

如果它等于其他任何值,生命甚至原子都將不存在。

同時,物理學家們也不知道為什麼它的值是137,就好像有人只是以這種方式編程一樣。

在2003年,所有這些關于宇宙的奇怪現象都啟發了瑞典哲學家尼克·博斯特羅姆。

他提出了一種類似的假說,簡單地說,它認為,如果宇宙允許文明存在極端強大的超級計算機并且能夠將思維數字化,那麼我們很可能生活在他們的模擬中,從而產生了我們所看到的宇宙。

如果這種矩陣的分辨率真的像普朗克參數所示,那麼在這樣的規模和品質下模擬宇宙是很有可能的。

物理學家們并不否定博斯特羅姆的假說,不是因為這個假說太不可思議了,而是因為物理學家們并沒有發現有證據能夠證明或反駁這個假說。

但是因為這個假設在科學上不切實際,物理學家并不支持博斯特羅姆的假說。

我們必須承認我們無法理解真實的世界,這也將成為我們對真相探尋的阻礙。

但,這并不能阻止諾貝爾獎獲得者。

在90年代末,奧地利物理學家安東·塞林格設法改進量子糾纏實驗,使其達到了其邏輯結論。

他利用超快速隨機數生成器增強了阿蘭·阿斯佩的設備。調節石英晶體的導電能力,換句話說,塞林格堵塞了愛因斯坦隱藏變量的所有可能性。

并最終證明了在量子尺度上宇宙的確是不真實的,這使得它在某種程度上類似于一個視訊游戲,小細節只有在玩家看到它們或足夠接近時才會加載。

特別有趣的是安東·塞林格也被認為是量子隱形傳態的創造者。

他發明了一種可行的方法,可以將未定義狀態的粒子遠距離傳輸給其他粒子。

這是朝著創建超級強大的量子計算機的重要一步,雖然相對較小,但可能比我們普通的硬件高效數百萬倍。

如果這能證明博斯特羅姆的模擬假說呢?

也許我們最終會成為一個文明,然后再創造一個帶有祖先的宇宙模擬,或者這已經發生了。

還有一個理論認為我們的世界是真實存在的,即超級決定論

超級決定論認為時間是一種幻覺,宇宙中的所有事件已經發生,這既不違背三位諾貝爾獎得主的實驗,也能讓我們的世界變得絕對真實。

換句話說,過去、現在和未來都是確定的,而且是已經被注定發生,我們只是在按照注定的腳步進行著。就像你在觀看這部影片一樣,其實,一開始,影片的內容就已經是確定的,你當前的觀看的時間進度就是「現在」。

這意味著我們不是在進入一個不確定的未來,而是在觀看一部有關宇宙生命的預錄電影,如果存在這樣的世界,那麼關于量子糾纏的實驗就包含了隱藏的變量,這些變量也已經寫入了宇宙的劇本中。

因此,沒有新的經驗能夠展現它們,因為它們也是這個不變和預先計劃事件序列的一部分。

然而,超級決定論需要我們面對一個重大的存在主義問題,那就是沒有自由意志。

所以,你更喜歡哪一個?

一個不那麼真實但稍微可控的宇宙,還是一個毫無思考能力、動作事先被編寫的木偶角色呢?

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