本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
两周前，我写了一篇博文，内容关于大卫·玻姆对量子力学的解释。与之前的爱因斯坦和路易·德布罗意一样，玻姆认为量子随机性并非自然界固有的，而是反映了我们对更深层次现实的无知。克莱姆森大学的安东尼·瓦伦蒂尼是一位进一步发展这一观点的物理学家。上周，他和一位同事发表了一篇论文，提出了一项观测测试——在这个主题中非常罕见。我邀请他撰写一篇嘉宾博文。我还推荐他在YouTube上的讲座和他为Physics World杂志撰写的文章。关于德布罗意和玻姆理论的略微不同的观点，请参阅这篇论文。——乔治·马瑟
作者：安东尼·瓦伦蒂尼
在19世纪后期，一些物理学家对宇宙的遥远未来感到担忧。最终，恒星会燃尽，宇宙中的一切都将达到相同的温度。热力学的新原理表明，在这样的普遍热平衡状态下，将热转化为功是不可能的。逃脱平衡状态也是不可能的，所有显著的变化都将结束。这种相当令人沮丧的景象被称为宇宙的热力学“热寂”。
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毋庸置疑，人们担心的热力学热寂尚未发生。恒星将在未来很长一段时间内继续燃烧。但是，是否有可能在更深层次上，类似热寂的事情实际上已经发生了？20多年来，我一直在论证事实确实如此。最近来自普朗克卫星的宇宙学数据可能提供了一些支持的暗示——只是一种暗示，但却引人入胜。
我们是某种热寂的受害者的怀疑，源于物理定律中明显的阴谋。一方面，量子物理学似乎包含爱因斯坦所说的“幽灵般的超距作用”，即远程纠缠系统之间的超光速影响。另一方面，量子物理学也使得发送超光速信号成为不可能。这就像幕后发生了一些我们无法控制的事情。为什么我们的世界以这种方式被微调？一种答案是，量子经典热寂的类似物已经在我们的宇宙中发生了——在所谓的隐变量的更深层次上。
隐变量是世界中假设的特征（物理学家称之为“自由度”），可以解释量子测量的明显随机结果。最著名的隐变量理论的例子是路易·德布罗意于1927年提出，并由大卫·玻姆于1952年进一步发展的领航波理论。在那理论中，隐变量只是系统可能包含的任何粒子或场的轨迹。通常，量子力学认为不存在明确定义的轨迹。
只有当变量具有特殊的量子平衡分布时，隐变量理论才会与量子力学一致，这类似于热平衡。正是由于量子平衡，超光速影响才不能用于超光速信号传输。当隐变量具有平衡分布时，信号平均为零。如果隐变量改为非平衡分布，则潜在的超光速信号将变得可观察和可控。相对论将被违反；时间将是绝对的，而不是相对于每个观察者而言的。海森堡不确定性原理也将被违反。
通过这种推理，实际上没有阴谋。我们无法使用纠缠系统发送超光速信号，仅仅是因为我们恰好陷入了量子平衡状态，就像经典热寂中的假想生物无法将热转化为功一样。
但为什么我们恰好陷入量子平衡？领航波理论本身就暗示了一个答案。理论研究和计算机模拟表明，如果一个系统开始时处于非平衡分布，那么由于复杂的运动，它会非常迅速地稳定到平衡状态。这个过程类似于热弛豫——例如，气体分子迅速均匀地扩散到容器内部的方式（左图）。
现在，我们看到的所有物质都具有漫长而剧烈的宇宙物理历史，最终可以追溯到宇宙大爆炸。如果宇宙开始时处于量子非平衡状态，那么弛豫可能发生在早期大爆炸最开始的瞬间。今天，我们目光所及之处都应该期望找到量子平衡，而事实上我们也确实如此。宇宙的可怕热寂实际上已经发生了！当然，它采取的形式与19世纪可能预期的形式截然不同。
即使承认这一切可能是真的，人们也可能会得出结论，永远不会找到隐变量的证据，因为在宇宙大爆炸近140亿年后，今天几乎不可能找到非平衡状态。然而，可能有一种方法。利用被称为宇宙微波背景辐射（CMB）的遗迹辐射，有可能在极早期宇宙中测试量子力学，有可能探测到量子热寂发生之前的时间。
CMB提供了宇宙在大爆炸后约40万年的快照（顶图）。那时，宇宙几乎但并非完全均匀。因此，CMB包含热点和冷点的模式——温度的微小波动。根据早期宇宙的主导模型，即暴胀宇宙学，这些波动是由早期加速膨胀时期存在的量子场中的涨落播下的种子。如果这个早期量子场处于量子非平衡状态，那么CMB中波动的模式中就会出现异常。
我们应该期望什么样的异常？有很多可能性，但有一种特别简单而自然。极早期宇宙中空间的快速膨胀可以抑制或延缓足够长距离上的弛豫过程。然后，我们应该期望在最长波长的CMB中看到异常。具体而言，在这样的波长下，我们应该看到量子噪声不足，因为在这些波长下，完全弛豫尚未发生。
最近，克莱姆森大学的塞缪尔·科林和我开发了一个详细的计算机模拟，说明了这一点。左图显示了空间不膨胀时的时间演化。右栏是量子力学预测的（变化的）概率分布；左栏显示了根据领航波理论随时间演化的非平衡分布。（时间向下流逝。）两种分布很快变得几乎相同：系统弛豫了。
右图显示了空间正在膨胀时的可比时间演化。现在，系统没有完全弛豫。特别是，在最终时刻，非平衡分布的宽度小于量子分布的宽度。这转化为CMB在大尺度上较小的波动。
有趣的是，普朗克卫星已经观察到这种缺乏大尺度波动的现象。我们的模型提供了一种可以解释它的自然机制。当然，可能还有其他解释。这种不足甚至可能只是一个偶然的波动。需要进一步分析来确定其真实性质。
新的物理学已经在CMB中被观察到吗？我们尚不知道。但有一件事是肯定的：暴胀宇宙学为我们提供了一个引人入胜的新实验室，用于检验量子力学的基础。
安东尼·瓦伦蒂尼是克莱姆森大学的物理学教授。他是《量子理论在十字路口》（与圭多·巴恰加卢皮合著）的合著者
CMB图像由欧空局和普朗克合作组织提供；图表由安东尼·瓦伦蒂尼提供