淺析量子理論引發(fā)的宇宙觀爭議

吳家毅

摘 要：19世紀(jì)末20世紀(jì)初以來，新興的量子理論和相對論重塑了物理學(xué)家的時(shí)空觀和宇宙觀。從薛定諤到維格納，從馮·諾伊曼的定理到霍金的時(shí)間鐵軌，物理學(xué)已不再局限于解釋表面現(xiàn)象，而是可以探討歷史運(yùn)行和改變歷史等深刻而樸實(shí)的理論問題。

關(guān)鍵詞：量子坍縮 宇宙觀 多歷史 多世界

引言

科幻小說《時(shí)間狩獵》描述了一個(gè)男人一時(shí)難以捉摸的世界，主人公當(dāng)選總統(tǒng)后參加了時(shí)間狩獵公司的時(shí)間狩獵活動(dòng)，回到過去獵殺一只恐龍。但是主人公由于突發(fā)情況離開了公司限定的范圍，并不小心踩死了一只蝴蝶從而改變了歷史——回到現(xiàn)實(shí)后發(fā)現(xiàn)自己在總統(tǒng)選舉中落敗了。對這個(gè)故事的解釋便觸動(dòng)了現(xiàn)代物理學(xué)中非常棘手的世界觀問題。自從20世紀(jì)初量子理論誕生以來，這個(gè)問題便一直困擾著物理學(xué)家和哲學(xué)家們。后來其與相對論的綜合更是讓人迷惑不解，多種派別林立的局面形成。本文簡要地一一說明這些觀點(diǎn)，以便讀者參考。[1]

一、緒論

1.基礎(chǔ)理論準(zhǔn)備

（1）量子物理介紹

量子物理學(xué)是一門產(chǎn)生于20世紀(jì)初的近代物理科學(xué)。通俗地講，它研究的是微觀粒子的行為和性質(zhì)。了解這門學(xué)科，首先要明確的就是微觀粒子尤其是在高能的情況下，表現(xiàn)出許多與經(jīng)驗(yàn)世界的宏觀物體不同的特點(diǎn)，產(chǎn)生一些難以想象的現(xiàn)象。

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，物理學(xué)界難以解釋黑體輻射波長分布的規(guī)律。瑞利金斯公式和思維公式都只能解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一部分。1900年，普朗克提出經(jīng)驗(yàn)公式：

該公式很好地與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。緊接著，他在解釋該公式時(shí)提出了著名的量子假設(shè)：“物體不能連續(xù)地發(fā)射或吸收能量，而必須一份一份地發(fā)射或吸收?！奔粗剑?/p>

E=nε

E表示物體發(fā)射或吸收的能量，ε表示這個(gè)最小的一份一份的能量，n是整數(shù)。

ε=hυ

υ表示頻率，h是普朗克常數(shù)。

后來，德國的物理學(xué)家海森堡提出了不確定性原理（又稱測不準(zhǔn)）原理，指出我們不能同時(shí)精確地測定一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量。簡單說來，我們越清楚一個(gè)粒子位置在哪，越不知道它的速度；越精確地知道它的速度，越難以準(zhǔn)確指出它的位置（這個(gè)表述是不完備的，不過入門者可以粗略這樣認(rèn)為）。位置和動(dòng)量的不確定性的積也受到普朗克指數(shù)的限制。

（2）簡單地狹義相對論

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，很多人認(rèn)為光的運(yùn)動(dòng)需要介質(zhì)“以太”，這是一個(gè)慣性參與系適用于牛頓運(yùn)動(dòng)定律。不妨說，它適合我們經(jīng)驗(yàn)。1887年，邁克耳孫與莫雷兩人在測定相互垂直的兩束光的速度時(shí)發(fā)現(xiàn)它們一樣（好比迎面而來的汽車和從你面前經(jīng)過的汽車視向速度一樣）極大地沖擊了這個(gè)觀點(diǎn)。1905年，愛因斯坦提出了狹義相對論，徹底放棄了以太的觀點(diǎn)，提出了光速不變原理。一般讀者應(yīng)該知道的是，物體速度越大，對它加速就越困難。假設(shè)有物體達(dá)到光速，那它將無法被加速。這也就是我們平時(shí)所說的“光速無法超越”的解釋。其實(shí)，稍微準(zhǔn)確一點(diǎn)來說，任何能傳遞信息的物體速度不能超過光速。對于不能傳遞信息的東西，讀者可以參考學(xué)習(xí)“德布羅意波”。[2]

2.一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

雙縫干涉實(shí)驗(yàn)：該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以簡述為當(dāng)點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)過兩條狹縫時(shí)，會在狹縫后面的屏幕上產(chǎn)生明暗相間的條紋。

我們重點(diǎn)來看一些變體實(shí)驗(yàn)。愛因斯坦在接受普朗克的量子假設(shè)后，把光的最小能量稱為“光量子”，后來稱為光子。一束光中含有大量光子。如果用少量光做雙縫實(shí)驗(yàn)會怎樣呢？科學(xué)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，即使是每次釋放一個(gè)光子，經(jīng)過長時(shí)間曝光后也會看到明暗相間的條紋。[3]

此時(shí)每個(gè)光子究竟是如何到達(dá)屏幕的呢？在雙縫擋板后放置檢測器，可以清楚地看到光通過雙縫時(shí)的行跡。但是，令人困惑的是干涉條紋消失了。如果不用檢測器進(jìn)行檢測則又看到了明暗條紋。但此時(shí)確實(shí)不知道單個(gè)光子究竟通過了哪條狹縫。但是一經(jīng)檢測條紋馬上消失。而且，光子在兩條狹縫出現(xiàn)的頻率是驚人的1：1，這一現(xiàn)象叫做量子坍縮。

二、哥本哈根解釋

量子理論產(chǎn)生后，關(guān)于它的數(shù)學(xué)形式，尤其是量子坍縮過程的描繪，主要分為兩派。以波爾為代表的物理學(xué)家借用數(shù)學(xué)中的矩陣，描述了粒子的運(yùn)動(dòng)情況。以物理學(xué)家薛定諤為代表的另一派，使用薛定諤創(chuàng)立的波函數(shù)來解釋粒子的行為。后來，丹麥的物理學(xué)家波恩證明了這兩種表述在數(shù)學(xué)上是等價(jià)的。兩者相互融合，經(jīng)過幾十年的發(fā)展最終形成了哥本哈根學(xué)派中的一個(gè)重要部分。即量子理論的哥本哈根解釋。在此處我們可以說成“世界觀上的哥本哈根解釋”，簡稱“哥派”。

哥派解釋，我們可以這么說，認(rèn)為世界的面貌是由“觀測”這一行為決定的。薛定諤用波函數(shù)ψ（讀“斐”，希臘字母）描述了粒子的行為，并指出，在觀測之前單個(gè)粒子并沒有確定的位置和動(dòng)量，它只能被一個(gè)彌散開來的波函數(shù)所描述。當(dāng)觀測行為發(fā)生之后，它就按照概率分布情況隨機(jī)獲得了其中一組狀態(tài)參數(shù)，并按照這一特點(diǎn)出現(xiàn)在概率范圍的一個(gè)隨機(jī)的地方。而這一現(xiàn)象的出現(xiàn)都是一個(gè)原因：觀測。

假設(shè)你擲一個(gè)硬幣，我來捂住。捂住之前你不知道它是正面朝上還是反面朝上，然后打開手，看到是正面朝上。哥派解釋認(rèn)為，在打開捂住硬幣的手之前，硬幣是以一種模糊的隨機(jī)狀況存在的。如果你一直不看它，它就一直維持這個(gè)混沌狀況。一旦你打開手，它就立即以正面反面都是1/2的概率隨機(jī)選擇一種狀態(tài)出現(xiàn)在你面前，而且不改了，你看到的是什么就是什么。也可以這樣說，在觀測之前“正反”這個(gè)性質(zhì)還沒出現(xiàn)，觀測之后則立即隨機(jī)選擇了一種。當(dāng)然，這只是個(gè)例子，這些解釋本不適用于宏觀世界。

現(xiàn)在我們來解釋雙縫實(shí)驗(yàn)中的量子坍縮。假設(shè)不使用檢測器，光子就是一股波函數(shù)。它運(yùn)動(dòng)到屏幕上便形式了明暗條紋。既不能說它通過了左縫也不能說它通過了右縫，甚至連說它運(yùn)動(dòng)了多遠(yuǎn)都是不被允許的。此時(shí)它根本不具有“通過哪個(gè)夾縫”這個(gè)性質(zhì)，而處在兩者的疊加態(tài)。觀測之后，它在左右兩種狀態(tài)中隨機(jī)選擇了一種，從而具有了明確的狀態(tài)。注意，確定的狀態(tài)表示它以確定的路徑運(yùn)動(dòng)，自然也就沒有了明暗條紋。

顯然，在這種理論下，歷史只有一個(gè)，未來也只有一個(gè)。之所以要這么說就是因?yàn)橄挛倪€要提到多歷史和多世界的宇宙觀。哥本哈根解釋是非常傳統(tǒng)而且容易被理解的。世界在人們一次又一次的觀測中完成了一次又一次的坍縮。這些坍縮書寫了歷史，把我們的世界塑造成了現(xiàn)在的樣子。同樣地，現(xiàn)在的世界正在經(jīng)歷著無數(shù)的量子坍縮，它們綜合起來，把我們推向未來。[4]

哥派解釋被認(rèn)為是經(jīng)典解釋已有多年，不過不得不指出的是人們對它還有不少疑問。

如果世界的推手是觀測者的話，那么把觀測者換成機(jī)器結(jié)果又會怎樣？試想，假如你用一個(gè)照相機(jī)對著雙縫，把它連在一臺電腦上，做完實(shí)驗(yàn)后觀看電腦錄像，結(jié)果如何？不難看出，這里的照相機(jī)跟前文的檢測器沒有什么區(qū)別。只不過檢測器要人實(shí)時(shí)觀察，而照相機(jī)可以看照片。其實(shí)，這里所寫的就是上世紀(jì)中期的數(shù)學(xué)家、計(jì)算學(xué)家馮·諾伊曼所研究的。他證明了假如機(jī)器對量子坍縮進(jìn)行了觀測，那么波函數(shù)的范圍也擴(kuò)展到機(jī)器。也就是說，機(jī)器和那個(gè)被觀測的粒子就立即處于同一個(gè)不確定性之中。直到人們觀測了機(jī)器，它們便一起發(fā)生了坍縮，而成為確定的狀態(tài)。

可以看出，這里強(qiáng)調(diào)了觀測者是一個(gè)人。人和機(jī)器的區(qū)別就在于人具有意識。那么把觀測者換成是貓或者狗行不行呢？物理學(xué)史上有個(gè)非常著名的實(shí)驗(yàn)——薛定諤的貓。把貓置于密閉的箱子中，箱子中有一個(gè)放射性的粒子，隨時(shí)可能發(fā)生衰變。一個(gè)監(jiān)視裝置與一個(gè)毒氣裝置相連。后者在粒子衰變后放出毒氣把貓毒死。那么，此時(shí)的觀測者成了貓。不過，在我們打開箱子之前，誰也不知道這只貓是死是活。能夠引起波函數(shù)坍縮的只有人類意識。這一結(jié)論令很多人無法接受，這也正是哥派主張的弱點(diǎn)。假如人類有一天真的造出了人工智能，它是否也能引起波函數(shù)坍縮？這仍是一個(gè)未解之謎。有興趣的讀者可以參考學(xué)習(xí)另一個(gè)思維實(shí)驗(yàn)——“維格納的朋友”。

三、多世界和多歷史

多世界觀（或稱多宇宙觀）和多歷史觀是兩種解釋宇宙的新觀點(diǎn)。它們的出現(xiàn)均晚于哥本哈根。這兩種觀點(diǎn)允許多世界或多歷史的出現(xiàn)，使得在如本文前言一樣的時(shí)間旅行前提下討論歷史的進(jìn)程有了可能。

多世界觀點(diǎn)認(rèn)為歷史只有一個(gè)而平行宇宙可有多個(gè)。在你觀測的時(shí)候波函數(shù)并沒有向某一方向坍縮出某一特定的結(jié)果。相反，它同時(shí)坍縮出了所有結(jié)果，從而產(chǎn)生了多個(gè)平行宇宙。每一個(gè)平行宇宙中都有一個(gè)觀測者，他們分別看到了不同的觀測結(jié)果。這些在不同的平行宇宙中的觀測者彼此沒有影響。每個(gè)觀測者都只看到了一種觀測結(jié)果：這樣就好像坍縮發(fā)生了似的。

用這種理論解釋雙縫實(shí)驗(yàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)檢測之后，其實(shí)就產(chǎn)生了兩個(gè)相互獨(dú)立的平行宇宙。觀測者只能身處其中一個(gè)，而另一個(gè)宇宙中的觀測者觀察到了不同的結(jié)果。比如一個(gè)人看見“通過左縫”，另一個(gè)看到“通過右縫”。

用多世界觀可以很好地解釋前言中的例子。主人公離開了規(guī)定區(qū)域并踩死了蝴蝶后，小說家就把主人公置于另一個(gè)平行宇宙中，這個(gè)宇宙對應(yīng)的狀態(tài)是“踩死蝴蝶，落選”。在原來的那個(gè)宇宙中的狀態(tài)是“未踩死蝴蝶，當(dāng)選”。主人公無法回到他原來的平行宇宙，所以產(chǎn)生了所謂的改變歷史的效果。

多歷史（或者稱退相干歷史）的解釋則不同。這種理論認(rèn)為，世界只有一個(gè)，歷史卻有多個(gè)。當(dāng)我們觀測的時(shí)候，我們只是把粗略的歷史梳理了一下。我們只是觀察到了光子通過左縫還是通過右縫，主人公當(dāng)選為總統(tǒng)或者沒有當(dāng)選為總統(tǒng)而忽略了其他很多細(xì)節(jié)。這樣，在這種粗略的統(tǒng)計(jì)下，各種細(xì)小而精確的歷史之間的聯(lián)系消失了。對于我們關(guān)注的方面來說，似乎只有那么幾種可觀測的結(jié)果。

對于前言中的故事，如果用多歷史來解釋的話，那么主人公確定是改變了歷史。原來的世界選擇了“未踩死蝴蝶”這個(gè)粗略觀測。而回到過去的主人公重新選擇了“踩死蝴蝶”這個(gè)粗略觀測。導(dǎo)致兩次情況下多歷史出現(xiàn)了不同的退相干，所以我們說，歷史真的被改變了。

多世界多歷史兩種觀點(diǎn)創(chuàng)造了很多的平行宇宙，從而避免哥派觀點(diǎn)對意識的討論。但是這兩種觀點(diǎn)創(chuàng)造了太多的平行宇宙，也引起了不少的反對。成千上萬難以計(jì)數(shù)的平行宇宙是否被物理定律所允許，成為了爭議的焦點(diǎn)。

四、隱變量理論

隱變量理論的產(chǎn)生是伴隨哥本哈根同時(shí)代的。持隱變量觀點(diǎn)的科學(xué)家可以說是比較保守，認(rèn)為波函數(shù)的所謂坍縮只是由于技術(shù)不足造成的。一定是有些不為人知的變量的變化造成了粒子按照“左邊”或者“右邊”來行動(dòng)。這樣隱含的變量在現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)的觀測水平下難以測量或者測量精度不高。當(dāng)測量了這些變量之后，世界就說是經(jīng)典的。比如說，擲一枚硬幣時(shí)，確實(shí)會有一些變量，如手的力度，空氣的流動(dòng)等影響了硬幣的運(yùn)動(dòng)情況。我們同樣可以說是一些像手的動(dòng)作這樣的微小因素影響了“量子坍縮”。隱變量就認(rèn)為沒有量子坍縮的存在。各種變量共同影響下產(chǎn)生了類似“量子坍縮”的效果。

這種理論可以這樣解釋前言中的現(xiàn)象：主人公回到過去并改變歷史并不是隨機(jī)而為，這一系列的動(dòng)作和行為都受著各種隱變量的影響。

寫到這里，并不難發(fā)現(xiàn)這種隱變量的解釋暗含了決定論的影子，而物理學(xué)是不允許決定論出現(xiàn)的。前些年關(guān)于這一理論的研究曾風(fēng)行一時(shí)。神秘的隱變量是否真的存在也是一個(gè)問題。讀者可以參考學(xué)習(xí)“奧卡姆剃刀原理”。

結(jié)語

1.哥本哈根解釋是正統(tǒng)解釋，受波爾等科學(xué)家支持的，認(rèn)為波函數(shù)會坍縮。觀測是坍縮的原因，引入意識是它的缺點(diǎn)。

2.多世界理論認(rèn)為歷史只有一個(gè)，未來可以有多個(gè)，沒有波函數(shù)的坍縮。每次觀測都形成了不同的平行宇宙，引入的多個(gè)平行宇宙飽受爭議。

3.多歷史（退相干多歷史）理論認(rèn)為歷史有很多，每一次的粗略觀測對歷史進(jìn)行了梳理，使粗略歷史間退相干，好像發(fā)生了量子坍縮。這種理論對多個(gè)精細(xì)歷史的解釋還有待研究。

4.隱變量理論出現(xiàn)最早，認(rèn)為沒有量子坍縮，是由于無法觀測的隱變量決定了歷史的進(jìn)程。其中蘊(yùn)含著的決定論被人詬病。

參考文獻(xiàn)

[1]R·P·費(fèi)曼.物理定律的本性[M]，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

[2]史蒂芬·霍金.時(shí)間簡史[M]，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[3]史蒂芬·霍金.果殼中的宇宙[M]，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2014.

[4]曹天元.上帝擲骰子嗎？量子物理史話[M]，北京聯(lián)合出版公司，2013.