撰文：安德烈·费尔德曼                 2024年4月26日

宇宙中最大的结构似乎遵循爱因斯坦相对论的规则，而最小的物体则遵循量子力学。对臭名昭著的薛定谔猫方程的拟议修改，能帮助将这两种理论结合起来吗？（图片：TheDigitalArtist/Pixabay）

理论物理学家为薛定谔猫悖论提出了一种新的解决方案，这可能会使量子力学和爱因斯坦相对论更好地和谐相处。

量子物理学的奇异定律假设，物理物体可以以多种状态的组合存在，比如同时处于两个位置，或同时具有不同的速度。根据这一理论，系统保持这种“叠加”状态，直到它与测量设备相互作用，仅通过测量获得确定的值。系统状态的这种突然变化被称为崩溃。

物理学家埃尔温·薛定谔在1935年用他著名的猫悖论总结了这一理论——用一个比喻，一只猫在密封的盒子里同时死去和活着，直到盒子被打开，从而瓦解猫的状态，揭示它的命运。

然而，将这些规则应用于现实世界的场景面临着挑战——而这正是真正的悖论产生的地方。虽然量子定律适用于基本粒子领域，但较大的物体的行为，符合爱因斯坦广义相对论预测的经典物理，并且从未在状态的叠加中被观察到。使用量子原理描述整个宇宙，会带来更大的障碍，因为宇宙看起来完全是经典的，并且缺乏任何外部观测者，来作为其状态的测量设备。

卡尔莱索说：“对薛定谔方程的具体修改可以解决这个问题。”特别是，该团队在方程中添加了捕捉系统如何与自身交互的术语，并添加了一些其他特定术语。这反过来又导致了叠加的分解。

卡尔莱索补充道：“系统越大，这种影响就越强。”

“问题是，卡尔莱索和他的同事，对薛定谔方程式提出了修改意见。它涉及没有周围环境的宇宙，能处于这样的叠加状态吗？”主要作者、意大利的里雅斯特大学的理论物理学家马泰奥.卡尔莱索在一封电子邮件中告诉《生活科学》。“观测说，不，一切都遵循广义相对论的经典预测。那么，是什么打破了这种叠加？”

卡尔莱索补充道：“系统越大，这种影响就越强。”。

至关重要的是，这些修改对原子和分子等微观量子系统几乎没有影响，但允许更大的系统——比如宇宙本身——以频繁的间隔坍塌，使其具有符合我们对宇宙观测的确定值。该团队在2月份的《高能物理杂志》上，描述了他们修改后的薛定谔方程。

把猫带出炼狱

在他们调整后的量子物理学版本中，研究人员消除了测量对象和测量设备之间的区别。相反，他们提出，每个系统的状态都会定期发生自发坍塌，从而获得其某些属性的确定值。

对于大的系统，自发坍塌频繁发生，使其在外观上成为经典。与这些系统相互作用的亚原子物体成为它们的一部分，导致它们的状态迅速崩溃，并获得确切的坐标，类似于测量。

卡尔莱索说：“在没有外部实体采取任何行动的情况下，任何系统都会自发地定位（或坍塌）在一个特定的状态下。人们发现猫要么死了，要么活了。”

这个新模型可以解释，为什么我们宇宙的时空几何不存在于态的叠加中，并且遵循爱因斯坦相对论的经典方程。

卡尔莱索说：“我们的模型描述了一个量子宇宙，它最终坍塌，从而成为有效的经典。”“我们证明，自发坍塌模型可以解释宇宙量子叠加产生的经典宇宙，其中每个宇宙都有不同的时空几何结构。”

虽然这一理论可以解释，为什么宇宙似乎受经典物理定律的支配，但它并没有对大规模物理过程做出新的预测。

然而，它确实预测了原子和分子的行为，尽管与传统量子力学的偏差很小。

因此，测试他们修改后的量子模型就不那么简单了，未来的工作将旨在进行此类测试。

“我们正与实验合作者一起，试图测试坍塌修改的影响或推导其参数的边界。这完全等同于，测试量子理论的极限。”