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兩週前，我寫了一篇博文，內容關於大衛·玻姆對量子力學的解釋。與之前的愛因斯坦和路易·德布羅意一樣，玻姆認為量子隨機性並非自然界固有的，而是反映了我們對更深層次現實的無知。克萊姆森大學的安東尼·瓦倫蒂尼是一位進一步發展這一觀點的物理學家。上週，他和一位同事發表了一篇論文，提出了一項觀測測試——在這個主題中非常罕見。我邀請他撰寫一篇嘉賓博文。我還推薦他在YouTube上的講座和他為Physics World雜誌撰寫的文章。關於德布羅意和玻姆理論的略微不同的觀點，請參閱這篇論文。——喬治·馬瑟
作者：安東尼·瓦倫蒂尼
在19世紀後期，一些物理學家對宇宙的遙遠未來感到擔憂。最終，恆星會燃盡，宇宙中的一切都將達到相同的溫度。熱力學的新原理表明，在這樣的普遍熱平衡狀態下，將熱轉化為功是不可能的。逃脫平衡狀態也是不可能的，所有顯著的變化都將結束。這種相當令人沮喪的景象被稱為宇宙的熱力學“熱寂”。
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毋庸置疑，人們擔心的熱力學熱寂尚未發生。恆星將在未來很長一段時間內繼續燃燒。但是，是否有可能在更深層次上，類似熱寂的事情實際上已經發生了？20多年來，我一直在論證事實確實如此。最近來自普朗克衛星的宇宙學資料可能提供了一些支援的暗示——只是一種暗示，但卻引人入勝。
我們是某種熱寂的受害者的懷疑，源於物理定律中明顯的陰謀。一方面，量子物理學似乎包含愛因斯坦所說的“幽靈般的超距作用”，即遠端糾纏系統之間的超光速影響。另一方面，量子物理學也使得傳送超光速訊號成為不可能。這就像幕後發生了一些我們無法控制的事情。為什麼我們的世界以這種方式被微調？一種答案是，量子經典熱寂的類似物已經在我們的宇宙中發生了——在所謂的隱變數的更深層次上。
隱變數是世界中假設的特徵（物理學家稱之為“自由度”），可以解釋量子測量的明顯隨機結果。最著名的隱變數理論的例子是路易·德布羅意於1927年提出，並由大衛·玻姆於1952年進一步發展的領航波理論。在那理論中，隱變數只是系統可能包含的任何粒子或場的軌跡。通常，量子力學認為不存在明確定義的軌跡。
只有當變數具有特殊的量子平衡分佈時，隱變數理論才會與量子力學一致，這類似於熱平衡。正是由於量子平衡，超光速影響才不能用於超光速訊號傳輸。當隱變數具有平衡分佈時，訊號平均為零。如果隱變數改為非平衡分佈，則潛在的超光速訊號將變得可觀察和可控。相對論將被違反；時間將是絕對的，而不是相對於每個觀察者而言的。海森堡不確定性原理也將被違反。
透過這種推理，實際上沒有陰謀。我們無法使用糾纏系統傳送超光速訊號，僅僅是因為我們恰好陷入了量子平衡狀態，就像經典熱寂中的假想生物無法將熱轉化為功一樣。
但為什麼我們恰好陷入量子平衡？領航波理論本身就暗示了一個答案。理論研究和計算機模擬表明，如果一個系統開始時處於非平衡分佈，那麼由於複雜的運動，它會非常迅速地穩定到平衡狀態。這個過程類似於熱弛豫——例如，氣體分子迅速均勻地擴散到容器內部的方式（左圖）。
現在，我們看到的所有物質都具有漫長而劇烈的宇宙物理歷史，最終可以追溯到宇宙大爆炸。如果宇宙開始時處於量子非平衡狀態，那麼弛豫可能發生在早期大爆炸最開始的瞬間。今天，我們目光所及之處都應該期望找到量子平衡，而事實上我們也確實如此。宇宙的可怕熱寂實際上已經發生了！當然，它採取的形式與19世紀可能預期的形式截然不同。
即使承認這一切可能是真的，人們也可能會得出結論，永遠不會找到隱變數的證據，因為在宇宙大爆炸近140億年後，今天幾乎不可能找到非平衡狀態。然而，可能有一種方法。利用被稱為宇宙微波背景輻射（CMB）的遺蹟輻射，有可能在極早期宇宙中測試量子力學，有可能探測到量子熱寂發生之前的時間。
CMB提供了宇宙在大爆炸後約40萬年的快照（頂圖）。那時，宇宙幾乎但並非完全均勻。因此，CMB包含熱點和冷點的模式——溫度的微小波動。根據早期宇宙的主導模型，即暴脹宇宙學，這些波動是由早期加速膨脹時期存在的量子場中的漲落播下的種子。如果這個早期量子場處於量子非平衡狀態，那麼CMB中波動的模式中就會出現異常。
我們應該期望什麼樣的異常？有很多可能性，但有一種特別簡單而自然。極早期宇宙中空間的快速膨脹可以抑制或延緩足夠長距離上的弛豫過程。然後，我們應該期望在最長波長的CMB中看到異常。具體而言，在這樣的波長下，我們應該看到量子噪聲不足，因為在這些波長下，完全弛豫尚未發生。
最近，克萊姆森大學的塞繆爾·科林和我開發了一個詳細的計算機模擬，說明了這一點。左圖顯示了空間不膨脹時的時間演化。右欄是量子力學預測的（變化的）機率分佈；左欄顯示了根據領航波理論隨時間演化的非平衡分佈。（時間向下流逝。）兩種分佈很快變得幾乎相同：系統弛豫了。
右圖顯示了空間正在膨脹時的可比時間演化。現在，系統沒有完全弛豫。特別是，在最終時刻，非平衡分佈的寬度小於量子分佈的寬度。這轉化為CMB在大尺度上較小的波動。
有趣的是，普朗克衛星已經觀察到這種缺乏大尺度波動的現象。我們的模型提供了一種可以解釋它的自然機制。當然，可能還有其他解釋。這種不足甚至可能只是一個偶然的波動。需要進一步分析來確定其真實性質。
新的物理學已經在CMB中被觀察到嗎？我們尚不知道。但有一件事是肯定的：暴脹宇宙學為我們提供了一個引人入勝的新實驗室，用於檢驗量子力學的基礎。
安東尼·瓦倫蒂尼是克萊姆森大學的物理學教授。他是《量子理論在十字路口》（與圭多·巴恰加盧皮合著）的合著者
CMB影像由歐空局和普朗克合作組織提供；圖表由安東尼·瓦倫蒂尼提供