梦想照进现实

发表于 2007年3月23日由李淼

下面是我今天下午在科大的演讲的ppt文件。

请大家不客气，有问题就问。你们的问题是我学习的动力

不只一个世界，不只一个梦想

还有pdf文件

我会将有理/有趣的问题提到正文中来。如果我回答不了，照样提上来。请大家给我点时间回答问题。

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问答

postech：

假设在一个宇宙有个我：自旋向上还是向下不确定。那么另一个宇宙是否也存在同样一个我：自旋向上还是向下也不确定？如果答案是，那么这个第一层次的多宇宙，就可以作为一个量子克隆机，它复制了一个未知的量子态。而从量子力学，我们知道，一个未知的量子态不可以被精确复制。如果答案是否，那么即使我活的再长也无法看到另一个宇宙的我了。当然，如果我“想娶奶茶”，在另一个宇宙也娶不到了。

回答：

第一层次的多元宇宙中的历史重复不是克隆，也不是量子克隆，而是“宇宙”的个数多于历史的个数造成的，所以并不破坏量子态不可克隆的原理。其实我们并不需要考虑多元宇宙，只需考虑Einstein-Bose凝聚，当凝聚发生时，很多玻色子处于同一个态。不过你提到的量子复印不可能性是一个很有趣的话题，过去讨论黑洞的信息丢失问题时曾经用过这个原理。假定黑洞视界能够做到量子复印，信息就可以不丢失，但这是不可能的，所以必须有其它机制。也许很多人不熟悉量子克隆，我将这个定理的证明附在下面。

附：量子克隆不可能的证明。假如我们想克隆态 $|\Psi\rangle$ ，考虑张量积 $|\Psi\rangle_A|e\rangle_B$ 。克隆必须是一个么正过程，就有

$U]|\Psi\rangle_A|e\rangle_B=|\Psi\rangle_A|\Psi\rangle_B$

同样，我们也如此克隆另一个态 $|\Phi\rangle$ ，这样

推出

$\langle\Phi|\Psi\rangle =(\langle\Phi|\Psi\rangle )^2$

一般是不成立的。

mark sun：

为什么永恒暴涨需要依靠量子涨落？我觉得量子涨落是微观上实现各态历经的动力来源，因为这样一来多元宇宙就能尝试遍历所有的初试条件。

回答：

据我所知，量子涨落本身不能认为是各态历经的动力来源，相互作用是各态历经的来源。当然，量子涨落会在各态历经中起作用，例如，一个孤立的原子通过与真空涨落的作用发生自发辐射。如果一个系统中的原子之间没有直接相互作用，原子们的自发辐射引起的相互作用也会导致各态历经。

在所谓的新暴涨模型中，不需要标量场的量子涨落，不过我们需要特殊的初始条件，就是标量场从那个特定的亚稳态出发。有了标量场的量子涨落，永恒暴涨就变得很普遍的现象。

量子涨落要起作用，必须要退相干，而引力可以做到这一点。对于佛教我是外行，你说的也许和所谓的universal wave-function有关，Everett第一次提出many-worlds interpretation的时候就是这么说的，波函数描述所有世界的整体。

富富得正：

我也想知道呢，如果每个宇宙都可以有不同的物理规律，那么“热力学第一定律”和“热力学第二定律”也不成立么？

回答：

我们说不同宇宙中的物理规律不同，指的是微观规律不同，例如在我们的世界中有弱相互作用，在另一个世界中可能就没有。在我们的世界中精细结构常数是 $1/137$ ，在另一个世界中精细结构常数可能是 $137$ 。我们总是假定不同宇宙中有些基本规律不会变，如量子力学，广义协变原理。热力学当然也不会变，因为热力学定律可以通过统计和刘维定理推导出来。在非常长的时间标度上，热力学第二定律可以被违反，例如Poincare循环定理说在非常非常长的时间中，系统会出现熵减少情况。

呵呵：

‘t Hooft说他比较反对多元宇宙思想。在量子力学解释上，他倾向于隐变量解释，他认为，现在说波尔打败了爱因斯坦还为时尚早，将来可能又会转回去。

回答：

‘t Hooft认为在更加基本的层次上世界是遵从经典决定论的，量子规律的出现是因为演化作为算符来说会将不同的态映射到一个态（如果我的记忆不错的话），我怀疑这不是我们传统上的经典力学。即使是，我觉得’t Hooft没有能够推出线性叠加原理，这是量子力学的关键之一。

mark sun：

量子涨落出来新的宇宙分支，那么构成这个分支宇宙的物质和能量从哪里来的呢？

回答：

物质的能量本身不守恒，引力能往往是负能，所以可以无中生有，因为体系的总能量为0。其实暴涨理论是无中生有的关键机制。在物质产生之后（物质指的是非相对论性物质），由于压强可以忽略，物质的能量是守恒的。在我们的宇宙中，现在的物质多少可以追溯到物质开始主导宇宙时的物质多少。在暴涨时期，能量由标量场势能主导，这个势能密度基本不变，而宇宙迅速膨胀，所以总能量迅速增大，同时，我们可以说引力的负能也迅速增大。整个可观测宇宙其实来源于大约是10公斤的标量场能量。

mark sun：

既然在可以不破坏能量守恒的前提和引力负能的帮助下，分支宇宙包括所有物质粒子都可以无中生有？那么相反的过程，根据动力学微观可逆性，宇宙也可以从有变无咯？那可太有意思了。为什么日常体验中从没有见过物质忽然消失的现象呢？

难道是所有已经存在的物质包括我们自己的身体都在等待重新归入虚空的特定条件出现吗？如果是的话，这个条件如何从物理学上来描述呢？

回答：

相反的过程很难实现，因为破坏了热力学第二定律。当暴涨结束时，原来标量场的能量迅速转化为辐射能量，伴随着很大的熵产生。逆过程是将辐射能量转化为标量场的coherent能量，只有当我们能够微调辐射时才能做到，这就类似打碎的玻璃杯自动组合回到没有被打碎时的状态一样。

有一种“循环”宇宙学理论，说我们的宇宙可以重新来一次暴涨，机制不是将物质重新转化为真空能，而是物质在未来稀释了，真空能由于某种原因又增大了。

想娶奶茶：

1. 在那个泡泡产生泡泡的树状模型中，我们可以认为所有的宇宙都有共同的起源吗？也就是说永恒暴涨逆着时间线走回去，会走到一个起点吗？

2. 在永恒暴涨的过程中，赝真空的能量不断地被释放出来，那么经过无穷长的时间，所有的赝真空都会到达“基态”吗？那样的话永恒暴涨就不永恒了吧。

回答：

1. 有一个定理，永恒暴涨在未来是永恒的，在过去不是，也就是说，暴涨只是在过去的一个有限时刻发生的，所以可以说，所有的宇宙有一个共同的起源。

2. 永恒暴涨图象就是不论在未来的什么时刻，总会有一些区域处于暴涨状态。

postech：

1. 如果考虑多宇宙的动力学，不同的宇宙会不会merge？星系的merge在天文学里很普遍

2. 考虑其他宇宙对本宇宙的引力作用，现在看到的dark energy 也许不存在？

回答：

1. 我不知道这个问题的回答是什么。如果wormholes是可能的，不同的宇宙间可能被wormhole连接起来，merge的可能性应该不大。

2. 不同宇宙间可能有干涉作用，有人用量子宇宙学来说明为什么暗能量会这么小，我还没有看到暗能量完全是由不同宇宙间的相互作用引起的理论。

路过：

你是不是承认平行宇宙呢,前几天正和同学在民科的水平上讨论这个问题..

回答：

目前我倾向认为宇宙只有一个，我觉得理论上的永恒暴涨可能有漏洞。相反，我现在比较同情量子力学的多世界解释，所以我倾向认为，如果有其他经典宇宙的话，应该是我们的宇宙的“镜像”，或者说是和我们宇宙一样从别的地方分支出来的。如果能够实验上证明多世界解释，我毫无疑问会接受平行世界的理论。另一方面，如果理论上能够证明永恒暴涨（包括量子引力作用，等等），我也会接受。总之，我经常改变我的想法。

吴承恩：

会不会我们现在仍处在赝真空，暗能量是其某种表现呢？然后某种因素一触发，跃迁到真真空，白茫茫大地一片真干净。

回答：

这是弦论目前的一个解释。

呵呵：

既然这次专门谈多元宇宙，不妨就任由思维驰骋，疯狂到底，先提出各种可能的想法，然后再严格按照物理理论逐一排除。例如我们宇宙可能是另一个宇宙中的一个基础粒子吗？这是另一种意义上的多元宇宙想法。

回答：

我不认为将我们的宇宙当作基本粒子是明智的，因为我们的宇宙不能由少量的自由度描述，如同一碗水不能是一个基本粒子一样。基本粒子的定义是，第一，自由度很小，第二，不能继续约化。当然，在某些问题中，可以将宇宙当作一个简化后的基本单元，例如在所谓的三次量子化中就是这么做的。这就像在许多研究大尺度结构的研究中，将星系和星系团当作一个粒子一样，这仅仅是简化。

xexz：

我有个想法，我们日常概念中的‘一’，我们用得太随意了，比如我们数‘波粒二像’里面的‘电子’的时候，它应该就不那么管用了，因此我们也许会需要个新‘一’；对于‘一’个‘电子’，你既然不能用‘一’个硬‘币’，或者‘一’粒‘豆子’来‘类比’和‘形象化’，那你自然不能把它和画在纸上的那‘一’道线等价起来；所以要想把它‘符号化（形式化，形象化）’就可能会需要某种我们现在还无力想象的‘工具’，这种工具所具有的能力类似于我们知道的‘纸笔和那道画在其上的线’对‘硬币和豆子’所具有的能力。

回答：

这个问题太哲学了。一这个概念来源于我们日常的经验，量子力学并不和这个经验矛盾。观测一个电子，我们总是看到电子的整体，如它的位置，或者它的动量。我们没有看到半个电子的位置或者动量。

至于电子的测量不同于经典粒子的测量，不能同时测位置和动量，那么我们就将这个事情当作基本事实接受下来，量子世界所有其它现象都和这个类比。事实上，我们在平常研究的时候，脑子里已经都是测不准原理的一类事情了，习惯就行了。

mark sun：

你说的我们的宇宙是指我们生存于其中的地球，太阳系，银河系，还是光学视界以内的整个的我们的这个宇宙。那么具体答案有可能会不一样。

回答：

指的是光学以及所有不超过光速观测手段看到的宇宙。

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关于李淼

中国科学院理论物理研究所研究员

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