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多重世界中的多重生活

Shea — Sun, 29 Jun 2008 18:48:46 -0700

Max Tegmark　文 Shea 译

如果你认为量子物理是普适的真理，那你就应该相信有平行宇宙。

[图片说明]：是否只有在科幻小说中我们才能生活在平行的世界里？如果一个原子可以同时出现在两个地方，那么你也能。

几乎我所有的同事都知道它，但是却几乎没有人这正读过它。2007年为了庆祝其问世50周年，修·埃弗雷特（Hugh Everett）博士论文的手稿被刊登在了新书《多重世界解释下的量子力学》中。我依然记得当我在伯克利研究生院后面的小书店里找到这本书的时候是多么的兴奋，一直到现在我都认为这是我读过的写得的最才华横溢的书之一。

当埃弗雷特在普林斯顿师从约翰·惠勒（John Wheeler）开始他的研究生学习的时候，量子力学已经在解释原子方面取得了令人晕眩的成功，但是隐藏在其数学表达式背后的真正意义还备受争议。当我在普林斯顿做博士后的时候，我有幸和惠勒一起讨论过量子力学，但是我却未曾有机会见到埃弗雷特。

量子力学认为宇宙的状态不能用经典的位置和速度来描述，而是要用被称为“波函数”的数学形式。按照薛定谔方程，波函数会以确定的方式随时间演化，这被数学家称为“唯一性”。尽管量子力学总被认为具有内在的随机性和不确定性，但是波函数随时间的演化却不具有这些特点。

真正棘手的问题是如何把波函数与我们的观测相衔接。许多合理的波函数对应的却是违反常理的情况，例如在同一时间既死又活处于叠加态的“薛定谔的猫”。 20世纪20年代，物理学家对此的解释是，当有人去打开箱子一窥这只猫的死活的时候，波函数就会随机“坍缩”但会留下一个确定的非死即活的经典结果。虽然这样可以解释观测，但是却让量子力学显得不完整，因为量子力学在数学上没有指明观测是由什么组成的以及波函数何时会坍缩。

埃弗雷特的理论陈述起来很简单，但是它的结果却是复杂的，包括由此产生的“平行宇宙”。概括起来讲，埃弗雷特认为薛定谔方程在任何时候都成立。换句话说，宇宙的波函数永远不会坍缩。仅此而已，没有提及平行宇宙或者是分裂的多重世界，它们只是这个理论的推论而非前提。他卓越不凡的地方就在于，这样一个没有坍缩的量子理论仍然可以解释观测。但是他预言，描述宏观世界的波函数会渐渐演化成一个描述多重世界叠加态的波函数，而观测者主观经历这一分裂得到的仅仅是有限的随机性，其概率和使用波函数坍缩方法计算的结果一致。

获得认同

重要的科学发现一般会经历三个阶段：一开始它们会被完全忽略，然后它们会猛烈地反击，最后则会变得熟视无睹。埃弗雷特的理论也不例外，它花了10年的时间才开始受到重视。但是这对于让学术界觉醒的埃弗雷特来说已经太晚了。

埃弗雷特无坍缩的理论目前还没有进入第三阶段，但是在20世纪70、80年代由于过于疯狂而被广泛忽视之后，它现在渐渐获得了认同。在1999年一次量子理论会议的非正式投票中，尽管有许多物理学家对此不置可否，但是这一理论的得票要远高于其他的想法。我相信向上的趋势是明显的。

为什么会发生这样的变化呢？我认为有几个原因。来自宇宙学暴涨和弦理论对平行宇宙的预言增加了学术界对这一古怪想法的包容性。同时新的实验显示即使在较大的系统中也会出现量子叠加态。最后，退相干过程的发现解答了埃弗雷特理论中存在的关键问题。

例如，如果这些平行宇宙存在，为什么我们没有察觉到呢？毕竟量子叠加效应不会仅仅局限在微观世界中。同时，由于你也是由原子组成的，如果原子在叠加态中能同时出现在两个地方，那么你也应该可以。

突破来自1970年迪特·泽赫（Dieter Zeh）的一篇开创性论文，他证明薛定谔方程自身具有一种“审查”机制。这一效应被称为“退相干”，在此后的几十年中沃奇克·祖瑞克（Wojciech Zurek）、泽赫以及其他人对此进行了仔细的研究。只有在与外界不发生作用的情况下，量子叠加态才是可观测的。例如，一张量子扑克牌由于其不断地与空气分子、光子以及其他粒子发生碰撞，摧毁了其自身的叠加态进而变得无法观测，于是它要么正面朝上要么背面朝上。退相干同时也解释了宏观物体为什么具有如此特殊的状态。

科学还是哲学？

在量子物理中引入随机波函数坍缩是为了解释我们为什么能观测到的概率以及为什么宏观物体不具有叠加态。在埃弗雷特提出一切都是随机的以及退相干理论解释了为什么我们不曾经历叠加态之后，引入波函数坍缩就显得不是那么必要了。尽管在埃弗雷特的眼中波函数在技术上是永不坍缩的，但是退相干造成的结果看上去却就像是发生了坍缩。

我觉得现在是时候更新那些依然把波函数坍缩作为量子力学基本假设的教科书了。做为计算手段波函数坍缩依然具有它的使用价值，但是为了避免混淆学生们应该知道这也许并不是拓展薛定谔方程的基本方式。如果一本量子力学教科书的索引中没有出现“埃弗雷特”和“退相干”，那么我建议你还是另买一本更新的。

50年后我们可以庆祝埃弗雷特的解释依然和观测相符，但是我们还必须面对另一个问题：它是科学还是哲学？其核心是平行宇宙自身并不是一个理论，而是某些理论的推论。对于一个可证伪的理论，我们不需要观测和检验它的每一个预言——只要一个就够了。

由于爱因斯坦的广义相对论成功地预言了许多我们观测到的现象，因此即使我们无法观测我们也会认真对待它所给出其他结果，例如黑洞的内部结构。类似地，量子力学成功的预言也使得科学家们严肃地看待它的其他预言，包括平行宇宙。

此外，通过未来的实验，埃弗雷特的理论也是可以证伪的。它认为，不管这个系统多大，你都不会观测到波函数的坍缩。确实，在含有许多原子的系统中已经观测到了不坍缩的叠加态，例如碳-60分子。一些小组正在尝试在含有10亿亿个甚至更多原子的系统中制造出量子叠加态，这些系统已经非常接近宏观系统。与此同时，全世界都在努力制造量子计算机，一旦成功它将可以以比普通计算机快指数式的速度来分解自然数，这相当于在埃弗雷特的平行宇宙中实施并行计算。

鸟的视野

因此埃弗雷特的理论是可检验的，而且到目前为止和观测相符。但是你真的应该相信它吗？当我思考自然界的最终属性的时候，我发现从两个角度来考察一个物理理论非常有用。一个是以研究其数学结构的物理学家的外部眼光来看，另一个则是用一个身处其数学所描述的世界中的观测者的内部视角来审视。前者好像是一只飞翔于高处的鸟儿可以纵览全局，后者则像是被这之鸟看到的青蛙。

从鸟的视野来看，埃弗雷特的宇宙是简单的。那里只有一个波函数，它随着时间平滑而确定的演化，不存在分裂与平行。由这个波函数描述的抽象量子世界包含了大量的经典平行宇宙，它们不断地分裂、合并，同时其中也包含了大量缺乏经典描述的量子现象。从青蛙的角度来看，观测者看到的仅仅是所有物理实在的一小部分，它们把经典世界的分裂当成了量子世界的不确定性。

那么青蛙的视角和鸟的视野哪个更基本？换句话说，对于你而言哪个更基本：人类的语言还是数学的语言？如果你选择前者，那么你可能会青睐于量子力学的“多重世界”解释，而量子力学为了使得波函数坍缩并且消除多重宇宙牺牲了其数学上的简单性。

但是如果你倾向于一个简单而纯粹的数学理论，那么你——和我一样——会在多重世界解释上遇到麻烦。一般而言，要建立一个能预言所有可观测现象的数学理论是极为困难的，量子理论也不例外。

此外，由于演化所赋予我们的直觉仅仅来自我们的祖先对生存所必需的物理现象的认识，例如石头飞行的轨迹，因此我们觉得量子力学是违反直觉的。

你可以做出选择。但是我担心，如果我们由于它看上去古怪而忽视埃弗雷特的理论，那么我们就有可能失去把我们的视野拓展到地平线以外的机会。20世纪20年代沙普利和柯蒂斯关于是否存在大量星系（当时的平行宇宙）的争论现在依然具有启示作用。

埃弗雷特要我们知道我们的物理世界要比我们所能想象的还要大得多，比起50年前这样一个建议在宇宙学取得巨大突破的今天可能更容易被接受。我们认为埃弗雷特的唯一失误就是他所处的年代。在下一个50年，我相信我们会更习惯我们的宇宙所拥有的这些古怪的特征，甚至发现这些古怪的特点正是她迷人的所在。

注：在这个宇宙中，作者Max Tegmark是美国麻省理工学院的一名物理学家。

[Nature 2007年7月5日]

在家进行的高电压实验（二）（我也来点科普）

guojie — Fri, 22 Feb 2008 01:08:04 -0800

警示：高压危险！电离辐射危险！

第三步改进（最终版）:

下图所示为最终的高压装置电路图。为了避免在电压峰值出现铁心饱和，用20 kV的高压互感器替换了11 kV高压互感器(PT1 和 PT2)，另外，11kV互感器噪音很大并且在直流输出电压超过130kV时会产生很高的激磁电流。TR1 是一台5kW自耦变压器(260V / 20A)。TR2是已前使用的3kW电力变压器，在实验中采用双150V二次绕组并联接法（在电路图中表示为一个等效绕组）。TR3是中型点引出的500W电力变压器230V原边线圈，作为平衡节点。

高压装置最终版

为了提高电路的耐用性，0.1 A 二极管(KYY 29/155)由0.2 A的替换。新换上的二极管通断速度比旧的二极管快很多（反向恢复时间达到150ns）所以不会产生对线圈的冲击电压。为了减小输出阻抗又向各级设备(C1 到 C8)中添加了若干电容器，整个装置的总储能目前达到了705 J。

现在，电路包含了一套永久的高压测量装置（替换了低压测量装置），高压测量装置由两只高压二极管、一只3nF负载电容、一只1.25 GΩ电阻和一台25μA 电流表。这样测量装置就可以在变压器的副边测量峰值电压，而不用再到原边测量，测量输出电压比测量原边电压更加精确。1.25 GΩ电阻器可以把12.5kV的交流峰值电压或100kV（8×12.5 kV）的直流输出电压（空载）的电流限制在10 μA 。测量装置并不能测量负载条件下的输出电压，计算负载电压需要在空载电压基础上减去压降（输出阻抗乘以负载电流）。不幸的是，我目前还没有足够的高压电阻器建立一个160kV的测量装置。

下面是升级过的元件的参数：

All diodes: 2CLG80KV/0.2A (PIV = 80 kV)

R1 ... R16: 2 kΩ / 10 W

R17: 800 kΩ (4 × 200 kΩ / 500 W)

R18: 1.25 GΩ (2×500 MΩ / 20 kV + 200 MΩ / 20 kV + 50 MΩ / 10 kV)

C1 , C2: 0.2 μF (2 × 0.1 μF / 20 kV DC)

C3 , C4: 132 nF (6 × 22 nF / 40 kV DC)

C5 , C6: 88 nF (4 × 22 nF / 40 kV DC)

C7 , C8: 44 nF (2 × 22 nF / 40 kV DC)

C9: 88 nF (4 × 22 nF / 40 kV DC)

C10: 44 nF (2 × 22 nF / 40 kV DC)

C11 , C12: 66 nF (3 × 22 nF / 40 kV DC)

C13 , C14: 1 nF / 40 kV DC / 80 kV peak

C15 , C16: 40 μF / 350 V AC

C17: 20 nF / 67 kV DC / 87 kV peak

C18: 3 nF / 30 kV DC

为了使效率最高，尽量低的输出阻抗可以用给定数量的电容器组合而成，我在设计时遵守了以下原则：

C5 = 2 × C7

C3 = 3 × C7

C1 = 4 × C7

从而：

C6 = 2 × C8

C4 = 3 × C8

C2 = 4 × C8

这种装置结构使交流电流分配比旧的设计更加合理。电容的分配比我最初的设想更加恶劣。让我感到震惊的是我观察到：比如，把C7 和 C8 每只从 44 nF 增加到 66 nF而不改变其他电容值，不仅不会提高效率而且还存在负面效果（使输出阻抗略微增加）。C1 和 C2 的实际电容值（每只0.2 μF）比计算值（176nF）略高。这主要是因为我恰好赶上了一批参数不稳定的0.1 μF / 20 kV 电容器存货。这样，参数较高的电容器略微减小了输出阻抗。

为了弄清电路工作原理，我们可以把它看作四级堆叠在一起的全波整流桥，每一级整流桥的正极与负极都分别与下一级的正、负级相连。流过每只二极管的平均直流电流为高压装置负载电流的一半。每级整流桥的交流电流流经一对电容器馈入，电容器起到通交流隔直流的作用，并在级间产生电压差。电路图所示，C7 和 C8向一级整流桥（连接着高压输出侧的）供电，C5 和 C6 向两级供电，C3 和 C4 向三级供电，以此类推。因为整流桥所需的交流电流是相等的，所以交流电流流过某对馈入电容器的大小，就与该电容器供电的整流桥数成正比。为了得到相同的电压降，每个电容要与流过它的电流相配合。我选用了重型脉冲电容器担任C1 和C2因为它们向所有整流桥供电，需要耐受电路中最高的交流电流。

整流桥的负载电容（从C9 到 C12 以及 C17）几乎仅仅起到了滤波的作用而对输出阻抗影响甚微。它们的电容值并不是最关键的，往往通过给定负载电流的最大电压纹波来确定。由于这些电容要承受相同的动态负荷，所以它们的值应该是相等的。实际设计较理论设计稍作改动，增加了C17 并且把C9 增加到88 nF，这是因为我有时取低级的电流作为低压应用信号，需要提高电流（才保证主电路不受影响）。

我使用下面的简单方法来测量装置的输出阻抗。首先，使用测量装置和VTVM 监视开路电压U0使它调节至40kV（测量装置的最大量程）。然后，关闭电源，电路放电后，测量装置和VTVM替换为电流表，再打开电源。这样测得的电流为短路电流IS 。输出阻抗Z为：

Z = U0 / IS

在这种新结构下，输出阻抗为近似值2.5 MΩ。负载时，在限流电感（800 kΩ）上的电压降约为电路总压降的三分之一，即装置的输出阻抗约1.7 MΩ。上述方法测量输出阻抗离不开限流电阻，因为仅有在负荷中等时装置的伏安关系近似为线性。曲线会在当装置输出电压小于空载电压的三分之一后变平缓。

下面的计算显示高压装置有多强大。在160kV的空载电压下，短路电流为64mA。这导致在四个限流电阻（4×200 kΩ）两端的电压降为51.2 kV。因此，耗散在串联电阻上的功率就达3277W！

下图为最终高压装置的照片：

最终版高压装置

低压侧：

下图是仪器的低压部分的照片。左侧是遥控软启动电路，包括两只继电器和一只大型22Ω绕线电阻器，电阻器用来限制冲击电流。冲击电流在启动时可以达到15A。中间的灰色盒子中装有5kW自耦变压器（260 V / 20 A），为3kW电力变压器（右）提供电源。

低压设备

放电实验装置：

出于好奇，我建立了一个临时的火花间隙，间隙由两根圆柱钢棒组成（见下图）。左侧棒接在高压装置输出端上，右侧棒接地，设定间隙为30 cm (12")。我慢慢升压，可见的电晕放电首先出现在100kV处，随着电压的进一步增加越来越剧烈。在最高电压（160kV）时，火花放电几乎立刻形成。电弧一直燃烧，直到我为了防止整流设备过热而切断电源。随后我发现整流装置工作于安全区域，因为流过电弧的平均电流得到了限制。伴随负载电压降有60mA电流通过。但是，此负载电流仍然不应该持续很长时间，这是因为电流的交流分量流过电容器对其绝缘造成压力（译者注：此说存疑，似乎应是“电流的交流分量流过电容器，引起电容器发热，热老化破坏电容器绝缘”较为确切）。

30 cm (12")160 kV直流弧光放电

30cm是我在最大电压下观察到的最长电弧长度。当级间距离增加后，就仅能观察到强烈的电晕放电，而没有火花放电。显然没人希望被这样的电弧击中，而强烈建议应保持大于1.5 m (6 ft)的安全距离。我使用一只遥控继电器控制电源通断，并且我每次实验后都通过把装置输出端接地来给电容放电。

下图展示了两个球形钢质电极（d = 15 mm）持续燃弧的情况。正如所预计的，最大击穿电压比前面实验有所减小，在这种情况下为28cm。

28 cm球隙(d：15mm)弧光放电

下图为远景图：

另一个28 cm 弧光放电

在下一个实验中，我把阴极换成了竖直的铁棒（直径20mm）。现在，最大弧光放电距离减小到18cm。

18 cm弧光放电

如下图所示，火花间隙设为19cm，略高于最大拉弧距离，通过定时曝光拍摄方法记录下了阳极电晕放电的情形，甚至连金属球形电极表面都出现了电晕。（译者注：这张照片所示实验现象很难得，电晕多发位置为尖锐的金属表面，一般球面是不易出现电晕现象的。）

电晕放电

能源与电力

在家进行的高电压实验（一）（我也来点科普）

guojie — Fri, 22 Feb 2008 01:02:12 -0800

前几天在网上看到的一个自己进行高压实验的日志。与我之前看到的高压实验不同，它没有高大的实验大厅，没有昂贵的实验设备，但是，通过他（她）自己的设计和亲手组装高压装置，做到了160kV的电压强度，十分惊人。
原文作者还拍摄了大量的图片，包括非常美丽的高压放电、X射线照片。
但是由于我的原因，没办法一次性翻译出全部实验，但是我保证一定会分批分次翻译出来和各位分享。
翻译上和专业上的错误，恳请指正。
（原文链接）

警示：高压危险！电离辐射危险！

高电压及X射线实验

中文翻译：郭捷

免责条款

本文记述仅为提供科普知识。作者不鼓励任何人按照文中所描述的实验进行实际操作，并对由操作本实验产生的后果免责。在高压或X射线环境下工作的人员应有坚实的物理学和电学专业知识并对他们的操作了如指掌。高电压电源的能量远比静电发生器强大，如静电发电机或Van de Graaff发电机等等。高压触电可以使人立即毙命，X射线如不正确使用会对人体引发长期不良影响（如：放射疾病、癌症）。

160kV高压电源的建立

建立一台真正强大的高压装置是我迄今为止最雄心勃勃的计划。因为装置的输出功率在千瓦级，所以全波高压装置会是一个极好的选择（当然，如果能建立一个三相电路会更好，但是我因缺乏元件而作罢）。利用40kV电容器，仅通过四个升压级就可以得到160kV的高电压。装置的建造其实更类似于一个进化过程，其中包括一些实验上的改进，比如一些新的想法和一些附加结构的实现。下面的设计过程按时间排序。

下面的电路图显示了最初版本的电路原理图。每组高压整流器都串接了一个2 kΩ的保护电阻。同时，三个200 kΩ的大电阻（绕线电阻，每个额定功率500 W ）串联在一起作为输出保护电阻。这些保护措施是必要的，因为在电压峰值时电容器储能将超过400 J ，如果放电电流不加限制，大概一次意外的瞬间放电就可能损毁许多昂贵的元件。所以电流必须限定在270 mA 以下。后来，我又加装了第四个电阻器，把电流限制在200 mA 以下。

160 kV全波串级直流高压装置电路

C1...C2 = 100 nF / 20 kV, C3...C4 = 88 nF / 40 kV, C5...C6 = 66 nF / 40 kV, C7...C12 = 44 nF / 40 kV, C13...C14 = 5 μF / 400 VAC, R1...R2 = 2 k / 10 W, R3...R18 = 5.6 k / 10 W, R19 = 600 k (3 × 200 k)

照片展示的是串级直流高压装置的构造。由于房间高度的限制，对120 kV 高压装置的简单扩展是不可行的。所以我必须拆解旧的装置，从零开始开发一种更加紧凑的装置。由于每级尺度的减小，避免由此产生拉弧故障便成为设计工作的主体。需要十分谨慎地注意相邻元件的电位差和他们之间的距离。除了连接用的导线，装置并不包含任何金属零件（当然不包括木制夹板上的螺钉）。装置结构包括三根垂直的圆柱和若干横梁（管子和外包材料均为聚丙烯），用塑料捆扎带和热融粘合剂把它们组合在一起。电子元件同样也用捆扎带固定。在照片左上角的灰色塑料管内装有200 kΩ 电阻（每个足有33厘米长）。高压端子刚好落在了画面之外。现在，装置已经准备好了进行第一次试验运行。桌子上是一台电子管电压计。电压计连着一根40 kV 的高压探棒，它们用来测量第一级整流电路，这级电路的电压是总开路电压的四分之一。

160 kV 高压装置

试验运行非常壮观。正如所预计的一样，电晕放电比旧的120 kV装置更为严重。随着接通电源，装置发出类似一群被激怒的蜜蜂一般的嗡嗡声，同时，刺激性的臭氧气味立即弥漫开来。空间中大量离子的存在，使房间中所有没有接地的金属性物体都被充电。空气中的电荷在我的脸上引起了一种令人不快的痒痒的感觉。经过一段时间以后，我注意到房间里的一个白色碗橱现在看起来又灰又旧。它被一薄层尘土所覆盖，土层并不均匀，有些地方呈现出奇怪的图案。尘突击乎可以说是粘在表面，非常难以清除，以至于我最终仅能使用酒精才把它们擦掉。这种现象的解释是：空气中的浮沉与空气离子结合后，由于电荷的吸引，沉积在物体的表面。这同静电除尘器的工作原理是一致的。

电压降:

接下来研究在负载情况下的现象。图表显示电压降同负载电流成线关系。负载阻抗（含保护电阻）为3.75 MΩ，还不错，这样如要驱动一支100 kV 电压4 mA 阳极电流的X射线管，就需要把装置的空载电压设定为115 kV。

第一步改进:

电路产生的高压有效值超过理论峰值，从而对电压互感器的高压绕组产生冲击电压并且经常击穿我事先安装的保护间隙。这种暂态电压过冲主要是由于高压二极管的开关延时所致。KYY 29/155型二极管是老旧的型号，反向恢复时间较长（约1000纳秒）。为了减轻上述附加电压对高压绕组绝缘的破坏，我安装了电容器C15和 C16 (每只1 nF, 40 kV)，它们起到低通滤波器的作用即吸收了输出电压的高频分量。（译者注：原文如此，存疑，译者认为它们的主要作用应为防止过电压，其次才是滤波，这样才能与前文的暂态过电压一说吻合。）

我进一步把C1 和 C2 的电容值增大为150 nF 并加入了滤波电容C17 (20 nF / 67 kV)和保护电阻R20 (2 kΩ, 10 W)从而尽可能减小高压装置的输出阻抗。根据手册所述C17的直流额定电压仅为67 kV ，但是它可以允许额定值130％的最高电压。

增强后的高压装置电路

现在，输出阻抗约为3.50 MΩ ，其改善并不是很大，但是当C17 作为容性负载之后负载条件下的电压纹波明显减小。

第二步改进:

由于使用高压探棒和VTVM测量输出电压不方便，我加入了一个简单的电压监视装置，它由二极管D1 和 D2 (1N4007)、滤波电容 C18 (20 μF)和电压表组成。C18上的电压与空载是高压装置的输出电压近似成正比（约为1：800），从而使电压测量更加精确

另外：由于在装置开启时的浪涌电流多次导致1N4007二极管失效，我给每只二极管串接了一只20 Ω的限流电阻（电路图中没有画出）。

接入电压表的装置电路图

下图展示了装置的改进版。左侧的变压器额定功率为3kW，向推挽式电压互感器（侧）提供2×150V的交流电压输出。

改良版的160 kV高压装置

能源与电力