多世界理论,外星探索网独家整理长篇硬派科学...

时间:2023-05-21 09:16:18编辑:奇闻君

2011年7月,在奥地利宁静的特劳恩湖畔召开的一次会议中,主办方进行了一次问卷调查,要求参会者就会议的主题进行表决。你或许觉得这个问题应该早在会议之前就搞定,但是因为会议的大主题是量子理论,所以多了一定程度的不确定性。会议名称为“量子物理与现实的本质”。参与问卷表决的是3 3名与会的物理学家、数学家和哲学家。此次表决引发了一系列关于二者之间关系的悬而未决的问题,其中之一是:你最喜欢的量子力学解释是什么?

“最喜欢”这个词意味深长。科学不是只取决于实验和观察,而与个人喜好无关的吗?但是,长久以来,量子物理实验就其本身的意义顽固地沉默着,我们所能做的,就是不断发挥预感和直觉的力量。当然,还要珍惜每个奇思妙想。问卷只提供了11个选项,包括“其他”和“无”在内。

最受欢迎(占问卷的42%)的理论是尼尔斯·玻尔、维尔纳·海森堡与他们的同事在量子理论早期提出的哥本哈根解释。其他的选项你可能都没听说过,比如量子贝叶斯模型理论、坍缩理论等。或许,你可能连哥本哈根解释也没有听说过。排名第三(占1 8%)的是多世界理论解释(MWI),我希望你对此能有所耳闻,因为多世界理论是目前最有魅力和最受欢迎的一种理论。该理论认为,每个人都有多重自我,生活在不同的宇宙层面,很可能过着一种我们曾梦想但无法实现(或不敢实现)的生活。谁能招架住这种想法的诱惑呢?

然而,我们需要抗拒这种诱惑,因为多世界很可能并不真实存在、没有人能够对此进行证实,甚至这个观点可能根本不是真正的科学。这些指责都是有理有据的,但我们抗拒的理由是,该理论无论在哲学上还是逻辑上都是不连贯的。没有比沃尔夫冈·泡利的话更有力的反驳了:它甚至连错误都配不上。

但是,还是有如此多的拥趸骄傲地追随着它。这是为什么呢?为了理解这一点,我们首先需要明白,为什么在量子力学诞生1 0 0多年后的今天,科学家还聚集在一起讨论它的意义。

尽管基础不牢,量子力学还是取得了巨大成功。事实上,你很难找到一个比它更成功的理论了。它能以惊人的精确度预言各种现象,包括穿过不同透明度的玻璃看到的草地和天空的颜色、酶的工作原理以及太阳是如何发光的。

这是因为它在很大程度上是一种技术:用一系列程序计算在组成物质的亚原子粒子的位置和能量不同的条件下,物质具有什么样的属性。计算异常复杂。对任何比氢原子复杂的事物,我们都需要用到简化和取近似值这两种方法。这种做法非常可靠。因此,今天绝大多数运用量子理论的物理学家、化学家和工程师不用再舟车劳顿地去参加会议讨论现实的本质了。就像物理学家戴维·默明所说,他们可以很好地开展工作,需要做的就是“闭上嘴巴,开始计算”。

但是,方程式似乎在强调一些奇怪的东西。这些方程式指出,极其微小的实体,比如原子和亚原子粒子,可以同时出现在不同的位置。一个电子似乎可以同时穿过两个孔,并像波一样干扰自己的运动。而且,我们也无法悉知一个粒子的方方面面:海森堡的不确定性原理不允许出现这样完美的知识。而且,两个粒子可以穿越广袤无垠的宇宙相互影响,似乎(实际上并非如此)有违爱因斯坦的狭义相对论

在我们进行观察之前,一切都只是可能。而当我们打开盒子后,所有的可能性都让位于单一的真实。

对此,大多数量子科学家只能接受,而不再继续争论。真正使意见产生分歧的是这样一个事实,即这一理论似乎与我们可以“从外部研究”的客观真实无关。这一观点从一开始就占据了科学的中心位置,然而量子力学却坚持认为,我们没法在不影响测量物的前提下测量某个物体。这并不是灵敏度的问题,还要比这基础得多,稍后我会对此进行解释。

最广为应用的量子数学方程是由薛定谔在2 0世纪2 0年代提出的。该方程引入了一个抽象的概念,即波函数。波函数能表现量子对象——比如粒子——的所有信息。虽然无法表现对象的属性,但波函数能统计出该对象所有可能的属性以及它们的相对概率。这些可能中,哪个是真实的?这里的电子还是那里的电子?我们可以通过观察得出答案。那么问题来了:量子力学似乎正在告诉我们,正是因为观察——以及测量——才迫使宇宙随机做出决定。在我们观察之前,存在的只是随机性。当我们打开盒子(此处的“盒子”指薛定谔著名的思想实验中装有一只猫、一个装有氢化氰气体的玻璃烧瓶和一个放射性原子核的封闭盒子——译者注),这些随机性就让位于单一的、确定的真实:即一种被称作波函数坍缩的现象。事实上,波函数坍缩并不是理论的一部分,它只能手动介入,这也是让人最不满意的一点。

于是,我们开始面对所谓的测量问题,即方程式模糊的随机性与我们可以实际测量而得出的事实之间究竟发生了什么。

以下就是特劳恩湖会议上问卷调查的选项单。占主导地位的哥本哈根解释只能无奈地接受波函数坍缩作为附加理论,虽然无法理解,但目前似乎也只有凑合着用了。另一种观点认为,从可能到真实的转变并不是耍了个数学花招,事实上这是一个具体的物理过程,有点类似原子的放射性衰变。这就是客观坍缩的解释,罗杰·彭罗斯是该理论的提倡者之一,他怀疑该理论可能还会涉及引力。

接下来就是多世界选项了。尽管支持者中有斯蒂芬·霍金和诺贝尔奖获得者弗兰克·维尔切克等重量级人物,但奇怪的是,它的支持者都不愿承认自己最喜欢的理论一定是最好的。对他们来说,多世界理论是唯一严肃对待量子理论的方法,就像维尔切克所说,“这点应该是毫无争议的”(实际并非如此)。

这个想法最早出现在美国物理学家休·埃弗雷特的博士论文中。他认为,没必要纠结于波函数坍缩的复杂本质。如果坍缩只是个假象,波函数声称的所有可能性都具有物理真实性呢?或许,进行测量时我们看到的只是这种多真实中的一个,但其他真实也是单独存在的。

存在于哪里? 这时候就用到多世界理论了。埃弗雷特本人从未用过这个名称,但在2 0世纪7 0年代,物理学家布莱斯·德威特开始公开拥护埃弗雷特的提议,声称实验的另一个成果必须存在于一个平行的现实——另一个世界。当你测量一个电子的运动路径时,在这个世界它似乎往东,但在另一个世界它可能往西。

这就要求电子穿过一个平行的、完全相同的实验设备,而且,还需要一个“平行的你”来测量它。这个过程一旦开始就永无止境:你需要在那个电子周围建造整个平行宇宙,这个虚拟宇宙与真实宇宙一模一样,只是电子的运动方向不同。这个方法绕开了波函数坍缩的问题,付出的代价却是建造一个新的宇宙。

当你了解什么是测量的时候,你就知道这个画面有多奢侈了。有观点认为,一个量子实体与另一个量子实体之间的任何相互作用——比如一个光子碰到原子反跳回来——都能产生额外的效果,因此需要平行宇宙的存在。正如德威特所说,“量子转换现象存在于每颗恒星,每个星系,以及宇宙的各个角落,这种转换将地球上的世界分裂为无数个相同的版本”。记住一点,之所以存在如此多的版本,是因为我们还无法了解波函数坍缩。这只是绕开烦琐的数学来解决狭缝问题的一种手段。“如果你喜欢简单而纯粹的数学理论,那么你有可能跟我一样对多世界理论感到困惑。”该理论最杰出的推广者——麻省理工学院的马克斯·特各马克如是说。

如此一来,人们便比较容易接受“要达到数学式的简单并不轻松”这个事实了。埃弗雷特的推论是,整个宇宙实际上只有一种波函数,“简单的数学”只是用符号来表示这一普遍波函数而已。这个符号就是Ψ,据称是对现在及过往所有已知和未知事物的完整描述。奇怪的是,多世界理论避开了到底是“测量”或“实验”中的哪个步骤将Ψ 分裂为多世界的问题。

多世界理论,外星探索网独家整理长篇硬派科学...

换句话说,你只需扩展思路,超越头脑中关于“我”的狭隘理解。

平行世界到底是什么样子的?特各马克认为,在多世界观点中的多元宇宙论下,“所有可能的状态都存在于同一瞬间”。这句话有点让人摸不着头脑,因为我们可以这样理解,即所有状态都可由某些初始状态进化而来,或者也可以这样理解,即所有粒子可以任意想象的方式排列。但是,无论哪种理解,都有说不通的地方。看吧,多世界理论对我们来说确实有些极端影响。

特各马克认为,“做出决定的行为”的“决定”是与实验或测量相互影响的决定,&l

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