无人注意时的薛定谔猫

物理学中一些最令人困惑的话题围绕着量子理论。这一困境在薛定谔的猫问题和黑洞蒸发中的信息损失问题上最为著名。理查德·费曼(Richard Feynman)曾说过，没有人真正理解这个理论，而且很难习惯。毫无疑问，量子理论在实践层面上是成功的。但当它不仅仅是一种计算实验室实验可能结果的概率的工具，而是对“外面的世界”的基本描述时，它面临着严重的概念性问题。

基本的问题是，量子理论似乎是关于我们测量的东西，而不是关于世界上存在的东西。有人可能会认为这很好，因为这个理论仅仅代表了关于世界的“我们的信息”。但是，只有当世界上有一些我们可以了解的东西时，这才是有意义的，在一般情况下，这些东西必须是理论所规定的。理解如何处理这个概念性问题需要我们更详细地看理论。

根据量子理论，系统的一般状态(粒子的位置或速度)没有明确的值。这种不确定性被称为“量子不确定性”，不幸的是，也被称为“量子波动”。标准教科书中提出的量子理论涉及到物理系统状态演化的两条截然不同的规则。罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)提到的一个是U-Process。它由薛定谔方程表示，在给定系统当前状态的情况下，允许精确确定系统在任何未来时间(确定性预测)或过去时间(完全追溯)的状态。但这条规则只有在系统没有受到“观察”的情况下才有效。

第二个规则在观察或测量系统的某些属性时开始起作用，它是一个随机规则，彭罗斯将其称为R过程。根据该规则，作为测量的结果，状态跳转到其中所讨论的属性具有明确定义的值的状态之一。一般而言，该规则不允许精确预测将是哪个状态，也不允许追溯测量或观察之前的状态。人们可以用它来准确地预测概率，并预测从大量实验重复中出现的平均值，以及结果的统计离散度，这个量在数值上与上面提到的不确定性水平一致。

其中一个问题是，量子理论在没有人关注的情况下，关于它对世界本质的主张是模糊不清的(至少可以说)。这个理论是否需要意识的参与才能有意义，如果是这样的话，这是否包括老鼠或苍蝇的意识？特别是，关于什么构成测量的规范是不可挽回的模糊。也许所需要的只是一个足够大的仪器。但是什么足够大呢？那么在边界上会发生什么呢？这些问题被称为测量问题。这类概念上的困难通常被实习物理学家忽视。

大卫·博姆(David Bohm)提供了一个例外，他重新发现了一个提议(最初由路易斯·德布罗利(Louis De Broglie)考虑)，给出了对该理论的不同描述，即点状粒子在任何时候都有确定的位置和速度，而量子态只是指导它们的时间进化(猫永远不会同时死亡和活着)。另一个值得注意的例外是对理论进行修改的支持者，他们将把U和R过程统一到一个法律中，消除了在基本层面引入“测量”概念的需要。在这种情况下，薛定谔不幸的宠物要么死了，要么活着，即使没有人在看。

这种方法构成了“自发崩塌”理论的基础，1该理论的特征是调用类似于整个空间和时间中所有粒子自发发生的R过程的微型版本的集合；也就是说，不需要进行测量。更前卫的是多世界理论(由休·埃弗雷特首创)，在该理论中，每一种测量都与现实的分叉(或多分叉)捆绑在一起，变成了类似于平行共存世界的东西。

仔细的分析表明，这些基本上是处理问题2可能采取的三种逻辑途径：通过添加量子态以外的东西来修改理论(以de-Brogile-Bohm方法为例的隐藏变量路线)，通过让类似测量的事件一直发生来修改理论中的进化规则(就像在自发崩塌理论中一样)，或者完全删除R过程(这将我们带到多世界的道路上)。

许多量子物理学家相信，这个问题，或者人们在这个问题上可能采取的方法，与他们领域的挑战无关。在一小群同事中，我持有截然不同的观点，并坚持认为，自发塌陷是解决我们目前对宇宙定律的理解所面临的一些最严重困难的最有希望的途径，特别是那些必须同时使用引力和量子理论的情况。

正如我们通常所理解的，宇宙学的一个中心特征是一个被称为暴涨的时代，人们认为它发生在普朗克时代之后的第一个零点几秒，普朗克时代本身就是一个神秘的制度。在普朗克时代，量子引力应该起统治作用，而时空本身的概念可能不再相关或有用。(量子引力指的是一种将广义相对论的基本原理、我们最好的引力理论和量子理论和谐地结合在一起的理论。)。在这个通货膨胀的体制下，通常的时空概念应该是足够的。但除此之外，人们认为广义相对论可以很好地描述万有引力，而物质可以用我们在普通粒子物理情况下使用的相同类型的理论来解释(比如那些在欧洲核子研究中心(CERN)或高能宇宙射线研究中经验性探索的理论)。

主要的不同之处在于，人们认为在通货膨胀时期占主导地位的物质类型是一个被称为膨胀子的领域。这有点像电磁场，但要简单得多，因为它没有固有的方向性或自旋。那个时代的主要特征是，由于膨胀场的引力效应，宇宙以极快和加速的方式膨胀(总膨胀因子至少是100万倍，即10-30倍)。结果，宇宙的空间曲率被驱使为零，所有与完美均匀性和各向同性的偏差都被完全稀释(剩余的10-90量级的偏差非常小，为了简单起见，我将其视为零)。

当膨胀场衰变时，膨胀时代就结束了，宇宙中充满了我们今天在其中发现的所有物质：你们、你们所坐的椅子和太阳系组成的普通物质；我们能够用像欧洲核子研究中心(CERN)这样的强大粒子加速器在几分之一秒内产生的略微更奇异的物质；甚至是似乎构成星系和星系团压倒性部分的难以捉摸的暗物质。换句话说，膨胀时代的结束应该会导致更古老的、传统的、经验上成功的大爆炸宇宙论所描述的体系，描述一个充满极热等离子体的膨胀宇宙，这些等离子体由各种粒子组成，它们各自的丰度基本上由热力学因素决定。宇宙在膨胀时冷却，导致轻核的形成(当时温度下降到大约10亿开尔文)，很久以后，第一个原子的形成(大约3000开尔文)。后一个阶段是发射与宇宙微波背景辐射相对应的光子的阶段。

每个人手中都拿着他或她最喜欢的饮料。那里有泡泡和深红色，鸡尾酒杯里冰块叮当作响的声音掩饰着心满意足的喋喋不休的嗡嗡声。房间里有留着长发的女人和男人。多读。

在宇宙微波背景辐射的温度模式的微小变化中，我们可以看到原始偏离均匀性和各向同性的印记，它们将继续增长到现在，组成我们当前宇宙中的星系、恒星和行星。问题是，宇宙不是，而且在相当长的一段时间里都不是同质和各向同性的。另一方面，根据膨胀，宇宙的猛烈膨胀完全冲淡了所有的不均匀性(不同地方的条件差异)和各向异性(不同方向的差异)。这种情况是用完全均匀和各向同性状态下的时空和膨胀场来描述的。

导致所有宇宙结构形成的不均匀性，以及我们在宇宙微波背景中看到的谁的印记来自哪里？根据目前的宇宙学正统理论，它们起源于膨胀时期的膨胀子和时空度规的“量子涨落”。事实上，膨胀伴随着膨胀时期场的量子态的配方，也就是所谓的束-戴维斯真空。这种状态，就像平坦时空中的真空态一样，具有百分之百均匀和各向同性的性质，但不知何故，我们应该从它的量子不确定度来考虑这一点。

但是，在星系、行星和有意识的生命形成之前很久的早期宇宙中，什么可以被算作一种测量呢？一些宇宙学家会回答说，今天，我们正在用我们的卫星进行所需的测量。片刻的思考表明了这种姿态有多大的问题：我们，用我们的测量设备，要对早期宇宙中盛行的完美同质性的崩溃负责，这种变化导致了宇宙结构的形成，包括星系、恒星和行星，这反过来又是出现生命和像我们这样的(自称“智能”的)生物的条件所必需的！我们将在一定程度上成为我们自身存在的原因！我不禁想起了那首古老的乡村歌曲，“我是我自己的爷爷。”

在考虑了解决爷爷问题的现有途径后，亚历杭德罗·佩雷斯(Alejandro Perez)、汉诺·萨尔曼(Hanno Sahlmman)和我提议在混合物中加入新的成分：膨胀场量子态的自发崩塌。这是R过程的一个版本，不断地发生，通常会导致场的量子态发生微小而随机的变化。这种过程的随机性将能够解释早期宇宙中同质性和各向同性的崩溃，而不必调用任何观察者或测量设备。此外，如果自发崩塌满足一些简单的要求，那么由此得到的关于这些不均匀性的预测可以重现宇宙微波背景中看到的温度变化的分布特征。4.。

起初，新的方法似乎没有导致任何与标准预测的重要偏离。但这个故事至少有一个方面的预测截然不同。事实证明，根据标准的处理方法，对宇宙中物质密度产生不均匀性的预测与对所谓的原始重力波产生的类似预测是密不可分的。这将与LIGO和室女座探测器在黑洞和/或中子星碰撞中壮观地探测到的引力波相似。但与那些不同的是，原始的那些现在将是如此微弱，以至于它们的存在预计只会在宇宙微波背景辐射的偏振中的特定类型的各向异性中被检测到。

对这些数据的搜寻一直很激烈，因为它们被视为通胀正确性的主要可能确认。到目前为止，它们还没有被探测到这一事实被认为是膨胀宇宙学中的一个严重问题，最简单和最有吸引力的模型已经因为预期的探测失败而被排除在外。当遵循我们的方法时，5关于原始重力波产生的预测是如此显著地减少，以至于它们将不能用目前的方法和探测器的灵敏度来检测。计算表明，它们可能只有在灵敏度大幅提高和焦点从天空中的非常小的角度尺度改变到非常大的角度尺度时才可能被探测到(不幸的是，有两件事相当困难)。因此，相当出人意料的是，作为我们开始面对的概念考虑类型的结果，对膨胀宇宙学的具体预测发生了戏剧性的变化，新的预测更符合现有的经验证据。

量子理论的概念上的困难也与黑洞的话题有关。广义相对论预测，一旦黑洞形成，奇点-一个几何量名义上将达到无穷大的区域-将在其内部发展，曲率随着该区域的接近而发散。这种奇点的性质引发了疯狂的猜测，包括认为它们代表着更多奇异物体的出现，甚至是通往其他宇宙的门户。但它们真正表明的是广义相对论无法应用的体制的存在。(不是太令人兴奋，对不起各位！)。

也就是说，如果我们想要依赖广义相对论，我们只能这样做，直到排除那些奇点应该出现的区域的某个边界。

物理学家们普遍认为，我们目前的理论应该被一种更深层的理论所取代，它同时封装了广义相对论和量子力学，并以一种平稳而自洽的方式结合在一起：量子引力理论。这样的量子引力有望“治愈”这些奇点，并消除在涉及黑洞的讨论中包括边界的需要。最不具投机性的概念不涉及任何东西，比如通往其他宇宙的门户，或者代替它们出现的疯狂的奇异物体。

物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Beckenstein)最先注意到的关于它们的一个特征是，我

但事实上，这一分析始于霍金的发现，涉及到量子理论，这引发了另一个继续困扰物理学家的问题。它是激烈争论和分歧的焦点，被称为黑洞信息“悖论”。

通常的解释是这样的：根据量子理论，孤立物理系统的量子态提供了这样一个系统的完整描述。该状态根据一条进化法则进化，该法则允许在未来的任何其他时间准确预测相应的状态，或者追溯系统过去的状态。另一方面，一定质量和角动量的黑洞可能以多种方式形成。如果黑洞完全蒸发，只留下热辐射，这是用非常简单的方式充分描述的，似乎没有办法对所有需要的信息进行编码，以精确地追溯最初导致黑洞的物质的确切量子状态。因此，考虑到量子理论演化规律的特点，从终态的细节上不可能追溯黑洞最初形成的详细状态，这与预期的相冲突。对许多人来说，这表明我们面临着一个“悖论”。

仔细研究一下这个问题，就会发现事情并不那么简单(这也解释了为什么我把悖论这个词放在引号里)。问题是，根据量子理论，我们应该能够追溯黑洞最初形成的详细状态的说法是错误的。只有当人们只关注U过程而完全忽略R过程时，才会得出这样的结论。因此，将对与黑洞蒸发有关的问题和信息的命运的考虑与测量问题的解决联系起来是很自然的。6个。

测量问题最吸引人的解决方案之一是自发塌陷。从2015年开始，我和我的同事们已经考虑了7，并在简化模型的帮助下详细分析了8在黑洞蒸发的背景下使用这种理论是否能够充分解决这个问题。到目前为止，我们的分析表明，答案是肯定的，前提是自发塌陷率随着时空曲率的增加而增加。如果是这样，那么通常与自发崩塌相关的少量信息擦除就变得足够有效，因为黑洞内部深处的曲率不断增加，足以解释当黑洞完全蒸发时似乎被擦除的所有信息。

这项工作必须继续梳理这个理论的具体形式的公开问题和细节，并寻找可以检验这些想法的其他情况。虽然事情还没有解决，但存在这样一种可能性，即集体解决各种问题，如薛定谔猫的问题，黑洞信息问题，以及令人费解的膨胀宇宙学方面，可能是考虑自发崩塌的结果。我们最近发现了其他问题，这种方法可能会有所帮助，包括解释宇宙初始状态非常低的熵的可能性，9以及理解暗能量的性质和大小的途径。10在涉及重力的情况下使用自发塌陷理论似乎是一个非常有前途和令人兴奋的研究结果。

.