物理學家們為何提出多重宇宙

作者:李凡
隨著科學的發展,科學和信仰已經走得越來越近。1957年,普林斯頓大學的博士生艾弗雷特(Hugh Everett)在博士論文中提出並行空間的概念。示意圖。(公有領域)
1957年,普林斯頓大學的博士生艾弗雷特(Hugh Everett)在博士論文中提出並行空間的概念。示意圖。(Nikk/Flickr)
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近年來,多重宇宙成了物理研究的熱門話題。電影大片也常常以這為題材,讓主人公穿越不同空間,令人神往。

如果說多重宇宙是好萊塢製片人的創意,這我完全理解;可是物理學家是最相信實證、思維最為嚴謹的一批人,多重宇宙出自於他們的筆下,讓我不由得詢問,到底是什麼,讓他們走上了這條「最不情願的路」。的確,愛因斯坦在批駁波爾量子力學時就曾經說過,「上帝是不會玩骰子的。」

回顧牛頓物理的美好時光,一切物體都有確定的軌跡,一切軌跡,又都有完美的公式解釋。可是好景不長,微觀世界的運動,比如光的波粒二相性,讓物理學家們陷入了漫長的「噩夢」。

這一切,都開始於著名的「雙縫實驗」。在這個實驗中,一束單色光被一個屏障遮擋,屏障上面開了兩條平行的狹縫,使得光束能夠通過它們,投射到對面的屏幕上。

可以想像,如果屏障上只有一條狹縫,那麼屏幕上應該對應的出現一片亮光。事實的確如此。

可是如果屏障上有兩條狹縫,是不是就應該相應出現兩片亮光呢?不是。屏幕上出現了許多明暗交錯的斑馬條紋。這是因為光是一種波,通過兩條狹縫的光波互相干涉,就像水面上的波紋在互相交錯時,在有些地方波浪互相加強;有些地方,波浪就互相抵消。屏幕上明暗交錯的條紋,就是光波互相加強和削弱的結果。這一現象也不足為奇,因為科學家們早就知道光是一種波,而干涉,正是波的典型特徵。

雙縫實驗示意圖。(<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment#/media/File:Double-slit.svg">NekoJaNekoJa/Wikipedia Commons</a>)
雙縫實驗示意圖。(NekoJaNekoJa/Wikipedia Commons)
單縫(上)和雙縫(下)實驗成像對比。(<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/File:Doubleslit2.jpg">Jordgette/Wikimedia Commons</a>)
單縫(上)和雙縫(下)實驗成像對比。(Jordgette/Wikimedia Commons)

可是1909年英國科學家泰勒(Geoffrey Taylor)把光子發射的速度減慢,讓光子一個一個發出,同時只可能有一個光子穿過屏障,打在對面的感光底片上。隨著光子一個一個打在底片上,底片上逐漸積累了一片撞擊的亮點。令人吃驚的是,這團亮點,依然呈現出了干涉條紋。

泰勒的雙縫實驗示意圖:底片上逐漸積累了一片撞擊的亮點。(<a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:2Slits-particles_only.jpg">Jean-Christophe BENOIST/Wikipedia Commons</a>)
泰勒的雙縫實驗示意圖:底片上逐漸積累了一片撞擊的亮點。(Jean-Christophe BENOIST/Wikipedia Commons)

由於同時只有一個光子發出,這個光子應該或者通過左側狹縫,或者通過右側狹縫,或者哪個也沒通過。只有一個光子,誰跟誰干涉了呢?唯一可能的解釋是,同一個光子,既通過了左側狹縫,又通過了右側狹縫,然後自相干涉。也就是說,同一個光子可以同時在不同地點出現!這完全違反了傳統物理中物體位置的確定性。

在這之後,物理學家們多次重複了這個實驗,顯示出不同的微觀粒子——電子、中子等等,都有同樣的表現。他們還進行了這個實驗的多種升級版,以排除實驗錯誤,或者是測量過程中引入的干擾。然而不論如何努力,干涉條紋都依然存在。

為了解釋這個現象,丹麥物理學家玻爾(Niels Bohr)在上世紀20年代提出,微觀粒子可以同時在多個地點存在,因此同一個光子能夠同時通過兩個狹縫,自相干涉形成條紋。而光子的地點分布,是以波的形式出現。

因此光波是一種概率的波。在兩個波峰重疊的地方,兩個概率互相加強,使得光子更有可能在這個地點出現;而在波峰和波谷相交的地方,概率就互相抵消,使得光子出現的可能性減少。

1922年獲得諾貝爾獎的丹麥物理學家尼爾斯‧玻爾(Niels Bohr)。(公有領域)

可是在日常生活中,物體的地點都是確定的。為了彌合這一區別,玻爾認為,任何觀察的行為都會使微觀粒子的不確定性得以確定化,從而使粒子有了確定的地點。由於這一解釋是幾名哥本哈根的物理學家提出的(包括玻爾),這一解釋被稱作「哥本哈根詮釋」。

這一理論準確地解釋了雙縫實驗的結果。不但如此,這一理論在眾多微觀世界的觀察中都得到了準確的驗證,而且屢試不爽。

然而愛因斯坦卻難以接受這一理論。他駁斥道,「上帝是不會玩骰子的。」玻爾也毫不客氣,反駁道,「別再告訴上帝該幹什麼了。」

為了推翻玻爾的量子力學,1935年愛因斯坦和另外兩名科學家合作發表了一篇論文。在論文中,愛因斯坦證明,假如玻爾量子力學是正確的,就可以推論出存在量子糾纏現象。也就是說,當兩個微觀粒子充分接近時,兩者之間可以產生一種聯繫。比如說,一個粒子上旋,那麼另一個粒子就一定是下旋。如果觀察者不去觀察其中任何粒子,兩個粒子的「上下」以及「下上」這兩種組合是同時存在的。可是,如果觀察者偷看了其中一個粒子,知道它是上旋,那麼不論距離多遠,另一個粒子的狀態也立即被確定,並且一定是下旋。

由於觀察之前兩種可能同時存在,而觀察後卻只有一個可能了,因此觀察前後存在著客觀的變化。然而,不論兩個粒子間的距離有多遠,從觀察一個粒子的狀態,到固定另一個粒子的狀態,這一過程的時間是零。換句話說,這一因果效應的傳遞速度是無限大。

愛因斯坦認為,在宇宙中,任何事件都只能對附近的局部地區產生影響,而因果效應向遠方傳遞,其速度不可能超過光速。出於這一原則,愛因斯坦認為量子糾纏現象是不可能的,並把它稱作為「遠距離的幽靈行為」(Spooky action at a distance)。愛因斯坦把這一觀點作為量子力學的反證,認為量子力學至少是「不完整的」。

在看到這篇論文後,玻爾立即跳起,向祕書口述一篇答覆。可是在口述過程中,玻爾再三更改自己的言詞,最終也無法找到滿意的答覆。

直到1972年,兩人間的爭論才有了分曉。1964年,英國物理學家約翰⋅貝爾(John Bell)提出了一個不等式,如果愛因斯坦正確,這個不等式就會滿足;而如果玻爾正確,這個不等式就會被打破。1972年弗里德曼(Stuart Freedman)和克勞瑟(John Clauser)在這一基礎上進行了實驗,發現糾纏光子的統計數據違反了貝爾不等式,證明了玻爾的正確。

英國物理學家約翰⋅貝爾(John Bell)1982年在歐洲核子研究組織。(<a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Physicist_John_Bell_at_CERN,_June_1982.png">CERN/Wikimedia Commons</a>)
英國物理學家約翰⋅貝爾(John Bell)1982年在歐洲核子研究組織。(CERN/Wikimedia Commons)

可是,這一結論並不等於物理學家們的頭痛有所減輕。

早在1935年,物理學家薛定諤(Erwin Schrödinger)就曾提出一個假想的實驗,在這個實驗中,有一個黑盒子,裡面有一個原子、一個開關、一瓶毒藥和一隻貓,它就是大名鼎鼎的「薛定諤之貓」。實驗中,如果原子發生衰變,就會啟動開關,打破瓶子,造成貓的死亡。

薛定諤之貓。(<a href="https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4279886">Dhatfield/Wikipedia Commons</a>)
薛定諤之貓。(Dhatfield/Wikipedia Commons)

由於原子是微觀粒子,依照量子力學,應該遵從狀態的不確定性。因此在觀察之前,原子衰變和未衰變的狀態同時存在,這隻貓也就同時既是活的,又是死的。可是只要有人打開黑盒子,看一眼這隻貓,根據哥本哈根詮釋,這隻貓的死活就被確定下來了。由於貓是宏觀物體,而貓能夠同時既是死的,又是活的,這一狀態,違反了宏觀物體確定性的常規認識,因而被稱為薛定諤悖論。

為了彌合這一悖論,1957年,普林斯頓大學的博士生艾弗雷特(Hugh Everett)在博士論文中提出放棄哥本哈根詮釋,認為微觀粒子和宏觀物體遵循同一規律,都存在不確定性。而宏觀物體的不確定性,在於多個並行空間的存在:除了我們這個世界,還有許多不同的世界,有些裡面有我們這樣的人類社會,有些也許沒有。如果今天中午您去了家中餐館,也許在另外一個空間裡,你卻去了韓國餐館,多種可能同時存在。

其實,雙縫實驗的一個升級版,也似乎符合這一設想。在這個實驗中,發射的粒子不是光子、電子這樣的小粒子,而是由60個碳原子組成的球狀大分子(buckyball)。實驗中也顯示出干涉條紋,表明這些分子的位置有不確定性。

其實,早在玻爾提出概率波的時刻,似乎已經埋下了多重世界的伏筆。因為根據概率論,概率是定義在「樣本空間」上的。而樣本空間中的每一個可能性,都是一個不同的現實。如果投擲一枚硬幣,看到正面朝上,那麼在這次投擲中,反面朝上的可能性就沒有出現,它只存在於另一個現實中。談到概率,就不能不談樣本空間,而樣本空間,本身就是不同版本的現實。

隨著時間的推移,量子力學不但沒有變得通俗易懂,反而更加神乎其神:不但並行空間成為可能,甚至對時間的認識也和傳統大相徑庭。現在物理學家們認為,過去、現在和未來都同時存在,而且時間還可能逆轉。似乎在物理學研究中,「物質」的成分越來越少,而我們的世界,卻越來越像個巨大的信息系統。

其實佛家早就認識到了並行空間的存在。根據佛家的認識,當一個人降生的時候,許多不同的空間中,都有一個他同時降生。佛家還認為,人的一生就像電影一樣,過去、現在和未來同時存在。隨著科學的發展,科學和信仰,已經走得越來越近。

美國哥倫比亞大學物理學教授布萊恩·格林(Brian Greene)在演講中。(<a href="https://www.flickr.com/photos/fronteirasweb/15090669168/">Luiz Munhoz/Fronteiras do Pensamento/Flickr</a>, CC)
美國哥倫比亞大學物理學教授布萊恩·格林(Brian Greene)2014年在演講中。(Luiz Munhoz/Fronteiras do Pensamento/Flickr, CC)

正像美國哥倫比亞大學物理學教授布萊恩·格林(Brian Greene)在他的科普紀錄片《宇宙的構造》(The Fabric of the Cosmos,又譯:超乎想像的宇宙)中所說:

「就拿我來說吧。我看起來很真實對吧?也許是,不過令人吃驚的新線索正在展現出來,顯示出你和我,甚至整個空間,都是一種全息影像。」(“Take me for example. I seem real enough, don’t I? Well yes, but surprising new clues are emerging, that everything, you and I and even space itself, may actually be a kind of hologram.”)@*#

責任編輯:蘇明真

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