土卫七引发的量子力学问题混沌

　　土星有82颗卫星，其中之一Hyperion也就是我们俗称的土卫七。Hyperion的运动是混乱的，它绕土星一圈大约需要3个星期，绕自己的轴自转大约需要5天，但是轴的方向每隔几个月就会不规律地翻滚。从技术意义上讲，这种翻滚是混乱的，即使我们以最精确的方式测量Hyperion的位置和方向，我们也无法预测一年后轴的方向。
　　Hyperion的运动可以用广义相对论来理解，甚至可以用牛顿动力学和牛顿引力来理解。这些都是没有量子属性的理论，物理学家称这种没有量子特性的理论是经典的。但是对于那些认为量子力学确实是自然运作方式的人来说，Hyperion是一个令人头疼的问题。因为量子力学预测Hyperion的混沌运动不会持续超过20年，但它却持续了更长的时间。
　　自1950年代以来，人们就知道量子力学不能正确再现经典混沌系统的动力学。在量子力学中，我们用波函数来描述一切，而波函数通常用希腊字母表示。在量子力学中，所有事物都有波函数：原子、猫和卫星。我们可以使用薛定谔方程及时计算波函数的变化。薛定谔方程是线性的，这意味着其中没有波函数的乘积。像这样具有线性方程的系统没有混沌，要产生混乱，我们需要非线性方程。
　　但是量子力学应该是所有物质的理论，所以我们应该能够使用量子力学来描述大型物体，对吧？如果我们这样做，我们应该会发现这些大物体的运动符合经典的非量子行为。这被称为对应原理，这个名称可以追溯到尼尔斯玻尔。对应原理认为世界是统一的，当我们从微观放大到宏观，体系的行为应该从量子平缓过渡到经典。
　　但是如果我们看一个经典的混沌系统，比如土星的卫星，我们从量子力学得到的预测只与经典牛顿动力学在一定时间段内的预测一致，这个时间称为埃伦费斯特时间。在这段时间内，您实际上可以使用量子力学来研究混沌。但是在埃伦费斯特时间之后，量子力学给你的预测与我们观察到的不符。它会预测Hyperion的轴方向不会翻滚，基本上混乱在量子不确定性中被冲走。
　　物理学家也知道这个问题，他们想出了一个这样的解释。Hyperion离我们很远，那里发生的事情并不多，但它仍然与尘埃和光相互作用，或者更准确地说，与称为光子的光量子相互作用。这些都是非常微小的相互作用，但数量却很多，并且必须将它们添加到卫星的薛定谔方程中。这些微小的相互作用所做的是，它们将卫星与其环境、尘埃和光纠缠在一起。这意味着，每当一粒尘埃撞击卫星时，波函数的某些部分都会发生非常轻微的变化。
　　虽然那些小颠簸稍微改变了波函数部分的波峰和波谷，但薛定谔方程仍然是线性的，所以所有这些相互作用都不能解决预测与观察不一致的问题。问题的解决方案出现在论证的第二步。物理学家说，我们有了这个带有大量纠缠尘埃颗粒和光子的卫星的波函数。但是我们并不确切地知道这些尘埃是什么、它在哪里，或者光子做了什么等等。因此，如果我们不知道确切的细节，我们就会做我们总是做的事情：我们猜测细节可能是什么，然后我们对它们进行平均，这个平均值与经典牛顿动力学的预测一致。
　　但是这种解释有两个问题。一是它迫使你接受在没有灰尘和光的情况下，卫星不会遵循牛顿运动定律。更严重的问题是，取平均值不是一个物理过程，它不会改变月球所处的状态。