多重宇宙与量子力学的派系之争


多重宇宙与量子力学的派系之争


文章图片


多重宇宙与量子力学的派系之争


文章图片


多重宇宙与量子力学的派系之争


文章图片


多重宇宙与量子力学的派系之争


从《瑞克与莫蒂》到最近的《妈的多重宇宙》和《奇异博士2:失控多重宇宙》 , 多重宇宙的浪漫概念一直是各种作品爱用的元素 。主角穿越到其它平行宇宙中 , 遇见各种不同的可能性 , 实现未能完成的心愿 。 可惜的是 , 现实中似乎没有这种好事情 。眼睛所看到的世界就只有一个 , 一切就照着原本的剧本发生 , 没有穿越或是重来的机会 。 不过 , 这些幻想作品的描述 , 其实并不如你所想的这么天马行空 。创作科幻作品所需要的想象力 , 对于科学家来说 , 其实也是重要的技能 。打从二十世纪中期开始 , 正经的量子物理讨论中 , 便出现了多重世界的说法 。 “多重世界”是对于量子现象许多诠释中的其中一种 。实事求是的物理学家为什么要诉诸这么虚幻的说法呢? 说到底 , 他们也是情非得已 。  这一切要从量子物理带给他们的难题说起 。



在量子时代之前 , 物理学家用来解释世间万物的方法是古典力学与电磁学 。 “古典力学”是“牛顿运动定律”的进阶版 , 解释了“具有质量的粒子(物质)如何运动” 。 “电磁学”则是一切电磁波相关技术(你的手机信号)的基础 , 解释了“不具质量的能量如何在空间中以波动传递” 。 “古典力学”与“电磁学”把世间分成“粒子”与“波动”两种不同的问题来解释 , 彼此井水不犯洪水 , 分别“近乎完美地”解释所有日常生活中常见的现象 , 然而 , 有一个现象在深入研究之后 , 却出现了矛盾 , 这个现象就是双狭缝实验(Double-slit experiment) 。



如果让光束通过一条狭缝 , 会在后方的屏幕映照出中间较亮 , 两侧较暗的图样 。奇妙的是 , 如果将实验改成两条狭缝 , 屏幕上的图案并不会等于两个单狭缝的图案相加 , 而是会变成亮暗间隔的条纹 。这种图案只能由波动产生 , 因为波峰和波谷会互相抵消 , 因此产生较暗的部分 。 双狭缝实验成为了光是波动的证据 , 属于电磁学解释的范畴 , 后续的推导也证明了光是一种电磁波 。



在 1950 年代 , 有位美国物理学家艾弗雷特(Hugh Everett III)在他的博士论文中提出了全新的方案:“大家都不要吵了 , 波函数中所有可能发生的机率 , 确实就是发生了 , 只是所有可能性以互不交错的世界线同时存在 。 ”这种观点中没有所谓“非量子”的“观察者”来让波函数成为现实 。世界上所有的原子、猫咪、人 , 都被涵盖在整个宇宙的波函数中 。艾弗雷特原本的论文标题并没有提到多重世界 , 而是称之为全体波函数理论(Theory of the Universal Wavefunction) 。波函数描述的不是观察的机率分布——波函数就是本体 , 根据薛丁格方程式演化出各个世界线 。


【多重宇宙与量子力学的派系之争】
或许是因为太过前卫 , 他的这篇论文发表时 , 几乎没有引起任何讨论 , 甚至没什么人花时间质疑 。艾弗雷特最终抱着遗憾离开学术界 , 跑去五角大厦工作 。所幸他的想法在十几年后 , 终于在几位支持者的努力之下 , 以“多世界诠释(the many-worlds interpretation)”的名号发扬光大 。 尽管一开始听起来很难接受 , 但是人们发现 , 这种诠释其实并不比原本的塌缩诠释荒唐 。 它同样能够解释所有的实验现象 , 而且比起机率性的塌缩 , 总体波函数可以完全遵循方程式的预测 , 不需要引入量子世界外的观察者 , 来让波函数塌缩至单一状态 。 许多物理学家认为这是一套更简洁的思考方法 。到今天 , 多世界诠释已经累积了不少声量和支持者 。



那么多重世界线真的存在吗? 要找到答案恐怕不容易 。如果艾弗雷特所言不假 , 也就是所有人和所有仪器都是总体波函数的一部份 , 那么便没有人能立于一切之外 , 看见总体波函数中的所有可能 , 或是做实验来验证多重世界的存在 。 不过 , 除了量子理论的研究者之外 , 还有一群人也十分认真看待多重宇宙的想法 。在宇宙学中 , 有一理论预测我们的可观测宇宙只是颗小泡泡 , 身处许多其它的泡泡宇宙之中 , 也就是实际意义上的多重宇宙 。这些宇宙不断地处于膨胀阶段 , 而这个理论被称为永恒暴胀(eternal inflation) 。

推荐阅读