物理研习 / 按书阅读

趣说量子世界 / 第18章

我们的宇宙到底是什么?

游戏类比、复数实验与物理理论,能否告诉我们宇宙是否是模拟?

在旅程终点,原书回顾游戏视角的由来,并从模拟论证、复数量子理论、二维小人和科学的边界追问宇宙的本质。本章保留作者的想象,也逐一说明实验测量的是什么、数学描述能支持什么,以及哪些结论仍是哲学猜想。

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01

从游戏地图想到量子

作者回忆游戏开发时听到同事谈论刷怪:玩家进入地图后,程序才按规则决定有没有怪。这个场景让他联想到薛定谔的猫,从而尝试用玩家和虚拟世界解释本书的量子故事。类比能够帮助我们提出‘什么时候产生记录’这样的问题。

不过程序里延迟计算或玩家不知道答案,通常是经典机制;量子叠加除了概率还具有相位关系,并能在合适条件下产生干涉。两者如果没有给出相同的实验统计,便不能因为听起来相似就当成同一种机制;类比也不能证明现实是由某个程序员运行的。

02

模拟论证说了什么

原书提到博斯特罗姆的模拟论证,设想技术成熟的文明可能运行大量祖先模拟,并问模拟观察者是否会多于非模拟观察者。原论证在关于计算能力、意识和观察者取样等假设下提出三种可能:几乎没有同类文明达到成熟阶段;成熟文明几乎不大量运行祖先模拟;或者具有我们这类体验的观察者绝大多数处于模拟中。

它并没有从实验确认第三项,也不等于说第二项是‘成熟文明没有模拟能力’:有能力与愿不愿意、大规模运行是不同问题。即使接受该推理,三个选项哪一个成立仍需证据;模拟体验能否支持意识、未来文明如何选择,以及应如何给自己赋予概率也都存在争议。名人给出的精确赔率不是实测结果。

作者还提到纠错码相似性、有限算力和格点模拟的研究。用格点近似计算强相互作用是一种数学和数值方法,需要检查格距等系统误差;它的成功不证明空间本身必然是格子,更不证明宇宙运行在外部计算机上。量子信息和凝聚态模型同样应按具体模型的预测判断,不能直接等同于模拟宇宙已被发现。

模拟论证的三个分支

该论证不单独证明第三项。

03

宏观与微观使用不同近似

原书疑惑:为什么量子与日常物体需要不同数学?科学常按尺度和问题选择有效描述:宏观物体也由量子成分组成,而在适当条件下,环境退相干及大量自由度使某些量子干涉难以观察,经典近似非常有效。这里并不存在一条已经证实的、将自然一刀切成两个互不相关世界的固定界线。

经典测量同样能扰动物体,只是在一些条件下扰动可以小到忽略;量子测量的结果统计和不相容观测量又有自己特有的结构。差异是建立理论和实验的理由,不能仅由‘数学形式不同’推断现实不合逻辑或背后必有虚拟服务器。

04

从无理数到复数

原书回顾无理数与虚数的发展。对角线为 √2 的单位正方形提醒我们,并非所有长度关系都能写成整数之比;关于古希腊发现者和处罚的故事,历史细节并无可靠定论。复数则包含实部与虚部:3+4i 可以在平面上表示为坐标 (3,4),它并不是一段藏在我们空间某个方向上的神秘长度。

复数经历了卡尔达诺、邦贝利及后来许多数学家的发展;复平面的形成也不是某一个人的独力发明。复数乘法能方便地表达缩放和相位旋转,在波动、电路与量子计算中很有用。数学对象能作出准确预测,不自动告诉我们它在物理世界里对应一种新空间。

05

实验怎样检验实数理论

标准量子理论通常使用复数希尔伯特空间,但单个系统的复数计算常能用扩大后的实数空间重新编码:把实部和虚部分别存储,预测可以相同。所以问题不是‘计算器能否只用实数’,而是某一种实数理论在多个独立来源和子系统组合的规则下,能否再现全部相关统计。

Renou 等提出一个网络:两个因果独立的源分别送出粒子,三方测量,中间一方对两个子系统做联合测量。按所检验实数理论的系统组合及源独立假设,可以推导一个相关性上限;标准复数理论在特定设置下可超出它。若实验统计超出这个上限,说明该套实数理论及相关假设不能同时适用。

原书并列介绍的两个 2022 年实验分别采用超导线路和光子网络。超导实验 PRL 128, 040403 报告约 8.09 的分数,超过实数模型界限 7.66 达 43 个标准差;同期光子实验 PRL 128, 040402 使用不同相关函数,报告超过其实数界限 4.70 个标准差。之后的严格局域条件光子实验 PRL 129, 140401 报告 5.30 个标准差,仍依赖公平抽样等条件。原书图中把后一篇论文标题与前一超导实验的数值并置;三个结果不能合并。实际独立性、器件与误差均须依各论文的实验设置评价。

近年的理论工作也讨论更改实数理论的复合系统规则与独立性含义。对这些研究应分别评估其假设和可操作预测;既不能把原实验说成无效,也不能概括为‘所有可能的实数表述都已被排除’。无论哪种数学表示,实验并没有证明虚数轴就是额外物理维度,或证明有外部模拟者。

两个独立来源的网络检验

实验约束具有指定组合规则和独立性条件的模型。

06

平面小人与穿过平面的球

原书想象一个二维世界的小人看到会伸缩的线段;在三维图中,一只球上下穿过平面,留下大小变化的圆形截面。若球半径为 R、球心距平面为 z,且 |z|≤R,截面圆半径满足 r²=R²−z²。平面观察者能看到截面的变化,提出不同原因并用更多预测区分模型。

这个故事展示一个高维模型如何解释低维观察,但数学上有两个坐标的复平面不因此就是空间中的额外维度。把远隔粒子类比成指向同一程序的指针也是设想;纠缠相关不允许借此发送超光速消息,更不能据此断定存在程序代码。

球和平面的截面

相同截面数据可能由不同模型解释;复平面是数学表示。

07

许多遥远的双缝实验

书中设想许多学生在远处各自用极弱光照射双缝,再把照片叠加。假设各套装置具有相同缝距、波长、相位条件及几何比例,屏幕坐标又正确对齐,许多独立探测落点的统计可以逐渐显现相同的干涉分布。光很弱时某些记录为空,仍可以把有落点的记录按预定规则汇总。

这里不要求遥远光子彼此纠缠或相互通信:相同制备和测量条件给出相同概率分布,独立重复的统计就能呈现规律。若装置几何、相位或坐标不一致,叠加可能模糊条纹。‘全宇宙随我的意识同步波动’不是这一统计结果的推论;波函数及其物理意义仍有不同解释。

独立实验的共同统计

分布来自同样制备与测量,不需要各光子通信。

08

黑盒、哥德尔与科学边界

作者把未知机制比作黑盒,提到奥卡姆剃刀:在解释和预测同样充分时,不必增加没有必要的假设。简洁是选择模型时的一项考量,并非保证最容易想象的故事必定正确;不同诠释是否等价,也要看它们各自的数学定义和可比较预测。

原书担心更高能量的加速器日益昂贵,也讨论泰格马克的数学宇宙与层层模拟。这些问题启发人们思考理论和实验的限制,但不能由设备困难证明某个问题永远无法研究,也不能从数学成功推出物质只是幻觉。精密实验、天文观测和新理论都可能提供不同途径。

哥德尔不完备定理涉及满足特定有效公理化、一致性及足够表达算术条件的形式系统;它不适用于所有数学系统,也不能直接证明宇宙没有真相、所有问题不可知或模拟必有更高一层。原书以它表达谦逊的愿望,我们可以保留这种态度,同时不把数学定理扩张成未经证明的物理结论。

科学不仅追求应用,也追求解释和理解;理论要与证据比较,旧理论在适用范围内仍可能有效,例如低速条件下的牛顿力学。旅程的最后,作者邀请读者保持对量子和生命的好奇。我们可以珍视这种感受,同时把‘宇宙为了我存在’读作个人表达,而不是实验已证实的结论。

回到核心问题

本篇的关键结论

  1. 游戏类比可以帮助提出问题;刷怪规则与量子干涉有不同的可检验结构,类比不能证明宇宙由程序生成。
  2. 复数实验检验的是具有特定系统组合与源独立假设的实数版量子理论;它既不排除一切实数编码,也不证明复数是额外空间维度。
  3. 数学、模型与实验共同推动科学;模拟宇宙、数学宇宙和终极真理的讨论需要明确假设,不应把思想实验当作已证实事实。

理解的边界

  • 模拟论证依赖关于文明、意识和取样的假设,未证明我们处于模拟。
  • 离散数值模拟与自然空间离散是不同主张。
  • 实数理论检验依赖复合系统规则及独立源等条件,不能排除所有实数编码。
  • 复平面不是实验发现的额外物理空间维度。
  • 独立双缝样本需相同条件及对齐才可汇成相同干涉分布。
  • 哥德尔定理适用特定形式系统,不能直接证明宇宙无最终真相。

理解与迁移

停下来,想一想

选择一个答案后,查看每个选项为什么成立或不成立。

01 / 模拟论证的三个可能分支意味着什么?

02 / 复数量子网络实验超出所检验的实数模型界限,能说明什么?

03 / 不同地点的弱光双缝实验汇总出相同干涉图案,需要什么?

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原书:《趣说量子世界》 · 阿布大树
对应物理PDF页码:402–433。

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