土星有82顆衛(wèi)星，其中之一Hyperion也就是我們俗稱的土衛(wèi)七。Hyperion的運(yùn)動(dòng)是混亂的，它繞土星一圈大約需要3個(gè)星期，繞自己的軸自轉(zhuǎn)大約需要 5 天，但是軸的方向每隔幾個(gè)月就會(huì)不規(guī)律地翻滾。從技術(shù)意義上講，這種翻滾是混亂的，即使我們以最精確的方式測(cè)量Hyperion的位置和方向，我們也無法預(yù)測(cè)一年后軸的方向。
Hyperion的運(yùn)動(dòng)可以用廣義相對(duì)論來理解，甚至可以用牛頓動(dòng)力學(xué)和牛頓引力來理解。這些都是沒有量子屬性的理論，物理學(xué)家稱這種沒有量子特性的理論是“經(jīng)典的”。但是對(duì)于那些認(rèn)為量子力學(xué)確實(shí)是自然運(yùn)作方式的人來說，Hyperion是一個(gè)令人頭疼的問題。因?yàn)榱孔恿W(xué)預(yù)測(cè)Hyperion的混沌運(yùn)動(dòng)不會(huì)持續(xù)超過 20 年，但它卻持續(xù)了更長的時(shí)間。
自1950年代以來，人們就知道量子力學(xué)不能正確再現(xiàn)經(jīng)典混沌系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)。在量子力學(xué)中，我們用波函數(shù)來描述一切，而波函數(shù)通常用希臘字母ψ表示。在量子力學(xué)中，所有事物都有波函數(shù)：原子、貓和衛(wèi)星。我們可以使用薛定諤方程及時(shí)計(jì)算波函數(shù)的變化。薛定諤方程是線性的，這意味著其中沒有波函數(shù)的乘積。像這樣具有線性方程的系統(tǒng)沒有混沌，要產(chǎn)生混亂，我們需要非線性方程。
但是量子力學(xué)應(yīng)該是所有物質(zhì)的理論，所以我們應(yīng)該能夠使用量子力學(xué)來描述大型物體，對(duì)吧？如果我們這樣做，我們應(yīng)該會(huì)發(fā)現(xiàn)這些大物體的運(yùn)動(dòng)符合經(jīng)典的非量子行為。這被稱為“對(duì)應(yīng)原理”，這個(gè)名稱可以追溯到尼爾斯·玻爾。對(duì)應(yīng)原理認(rèn)為世界是統(tǒng)一的，當(dāng)我們從微觀放大到宏觀，體系的行為應(yīng)該從量子平緩過渡到經(jīng)典。
但是如果我們看一個(gè)經(jīng)典的混沌系統(tǒng)，比如土星的衛(wèi)星，我們從量子力學(xué)得到的預(yù)測(cè)只與經(jīng)典牛頓動(dòng)力學(xué)在一定時(shí)間段內(nèi)的預(yù)測(cè)一致，這個(gè)時(shí)間稱為“埃倫費(fèi)斯特時(shí)間”。在這段時(shí)間內(nèi)，您實(shí)際上可以使用量子力學(xué)來研究混沌。但是在埃倫費(fèi)斯特時(shí)間之后，量子力學(xué)給你的預(yù)測(cè)與我們觀察到的不符。它會(huì)預(yù)測(cè)Hyperion的軸方向不會(huì)翻滾，基本上混亂在量子不確定性中被沖走。
物理學(xué)家也知道這個(gè)問題，他們想出了一個(gè)這樣的解釋。Hyperion離我們很遠(yuǎn)，那里發(fā)生的事情并不多，但它仍然與塵埃和光相互作用，或者更準(zhǔn)確地說，與稱為“光子”的光量子相互作用。這些都是非常微小的相互作用，但數(shù)量卻很多，并且必須將它們添加到衛(wèi)星的薛定諤方程中。這些微小的相互作用所做的是，它們將衛(wèi)星與其環(huán)境、塵埃和光糾纏在一起。這意味著，每當(dāng)一粒塵埃撞擊衛(wèi)星時(shí)，波函數(shù)的某些部分都會(huì)發(fā)生非常輕微的變化。
雖然那些小顛簸稍微改變了波函數(shù)部分的波峰和波谷，但薛定諤方程仍然是線性的，所以所有這些相互作用都不能解決預(yù)測(cè)與觀察不一致的問題。問題的解決方案出現(xiàn)在論證的第二步。物理學(xué)家說，我們有了這個(gè)帶有大量糾纏塵埃顆粒和光子的衛(wèi)星的波函數(shù)。但是我們并不確切地知道這些塵埃是什么、它在哪里，或者光子做了什么等等。因此，如果我們不知道確切的細(xì)節(jié)，我們就會(huì)做我們總是做的事情：我們猜測(cè)細(xì)節(jié)可能是什么，然后我們對(duì)它們進(jìn)行平均，這個(gè)平均值與經(jīng)典牛頓動(dòng)力學(xué)的預(yù)測(cè)一致。
但是這種解釋有兩個(gè)問題。一是它迫使你接受在沒有灰塵和光的情況下，衛(wèi)星不會(huì)遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律。更嚴(yán)重的問題是，取平均值不是一個(gè)物理過程，它不會(huì)改變?cè)虑蛩幍臓顟B(tài)。
