“宇宙分裂器”背后的物理學爭論

丹丘生

是餡餅還是蛋糕？如果你難于選擇，也許你需要一個“宇宙分裂器”。這是最近國外流行的一款手機app。只要將你面臨的選擇輸入這個app，它就會自動連接到瑞士日內瓦的一個實驗室，該實驗室將進行一個實驗，告訴你應該做哪項選擇。

這個app可以向你保證：不管最好的選擇是哪一個，你肯定都能得到它——不是這個世界的你得到，就是所謂“平行世界”里的另一個你得到?，F(xiàn)在，請坐回椅子上，倒杯白酒（或者紅酒？），準備好把你的思想也分裂一下。我們即將進入量子王國，去許多世界旅行，在那里你可以吃蛋糕，或餡餅，甚至可以同時得到兩者。你愿意嗎？

神秘且讓人困惑的波函數

這個令人愉快的建議來自一個以甜點聞名的城市：奧地利的維也納。在1920年代早期，奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤正在尋找一個方程來解釋當時讓人困惑的量子（比如光子和構成你、我、椅子和蛋糕等物質的原子）的行為。

1925年，薛定諤終于找到了他的方程。這個方程表明，關于量子的一切都是由一個叫做“波函數”的神秘數學函數來描述的。所有關于某個量子的信息，都包含在它的波函數里。

但這個波函數意味著什么呢？它如何跟實驗對應起來，成為可測量、可驗證的東西？一年后，德國物理學家馬克斯·波恩對波函數提出一種解釋。他說，波函數不只是一項數學工具，而是跟能量、電荷等等一樣實實在在的客觀存在。如果你設計實驗來測量波函數，在未進行測量之前，波函數將告訴你在空間某個點發(fā)現(xiàn)該量子的可能性。而一旦你對它進行測量，它就隨機地選擇一個單一的結果表現(xiàn)出來——這叫“波函數的坍縮”，即退相干原理。在波函數坍縮的過程中，原先包含的其他可能性都消失了，剩下一種可能性。

這個波函數坍縮就好比擲硬幣，當硬幣還在空中時，它落地正反面朝上的概率均為50%，而一旦落地，那要么正面朝上，要么反面朝上，兩者必居其一。

這個解釋是相當奇怪的。就波函數會坍縮這一點，顯然說明它是一種實實在在的東西。但是，它又只是一種概率。我們在經典物理學中遇到的那些可測量的量，比如電子的電荷、椅子的位置、餡餅的質量等等，都代表了物質本身的一種明確屬性，而不是概率。波恩的解釋似乎暗示，只有當我們測量了一個量子，讓其波函數“坍縮”到一個特定結果之后，我們才能真正地談論它。再說，為什么我們一測量，波函數就會坍縮？坍縮的機制是什么？這一切波恩自己也說不清。

波恩的解釋引起了各種棘手的問題。首先，在量子實驗中，看來測量的作用是非常大的，因為它能使波函數坍縮，從各種可能性變?yōu)橐环N確定性。但什么算是測量呢？量子實驗已經表明，測量似乎不僅涉及儀器，還涉及觀察者的有意識的注意（比如說，一臺儀器已經對某個量子進行了測量，而且得到了結果，但在你還沒去查看結果之前，波函數還是沒有坍縮）。那么在我們“看”之前什么是“真實的”？當我們強迫波函數坍縮成一個結果時，原先包含在波函數中的其他可能性究竟發(fā)生了什么，以至于消失了呢？

“宇宙分裂器”的由來

“宇宙分裂器”作為解決這些難題的一種嘗試誕生了。1950年代，美國普林斯頓大學一位名叫休·埃弗雷特的博士生發(fā)表了有史以來最令人匪夷所思的博士論文。他提出，薛定諤的波函數根本不會坍縮，并且當我們進行測量時，編碼在波函數中的其他可能性實際上也沒有消失。取而代之的是，每當有人進行測量時，宇宙就會分裂成若干個與可能結果數量相當的宇宙——連同進行測量的儀器、人以及其他一切，在每個宇宙中都有其副本。這個解釋被稱為“多世界解釋”。

宇宙和我們自己以這種方式增殖，這在科學上既不能證實，也不能證偽，所以在某種程度上是一個哲學或玄學問題。但對于 “多世界解釋”的擁躉來說，這是一門嚴肅的科學。牛津大學的大衛(wèi)·多伊奇是最忠實的擁護者之一，他曾經在一次紀念埃弗雷特的會議上，以這樣的發(fā)言開頭“我要從一個簡單的事實開始：在這間房子里，在附近的一些宇宙中，休·埃弗雷特和我們在一起，也在慶祝?！笔聦嵣希８ダ滋卦?982年就去世了，年僅51歲，他死于暴飲暴食、酗酒和無節(jié)制的吸煙——至少在多重宇宙我們現(xiàn)在所在的這個分支宇宙中，他已經死了。

這個“多世界解釋”意味著，在宏觀的經典世界中，如果我們把我們的命運或面臨的選擇——比如此刻，要蛋糕還是餡餅？——“捆綁”到量子世界正在讓宇宙分裂的測量上去，我們就可以確保所有結果都能在多重宇宙的某個宇宙中發(fā)生。這意味著，無論我們做什么選擇，所有可能性中最好的也罷，最壞的也罷，都會成為一種現(xiàn)實，只是在不同分支的宇宙中實現(xiàn)而已。這些宇宙在分裂的那一刻，唯一不同點在于選擇了不同的可能性，其他方面則完全一樣（比如，一個宇宙中的“你”選擇了蛋糕，另一個宇宙中的“你”選擇了餡餅，至于你本人、你家人、北京、上?！趦蓚€宇宙中那是完全一樣的）。就是這就是“宇宙分裂器”app聲稱要做的。

不同能量的電子在氫原子中運動的波函數圖。亮度代表在該點發(fā)現(xiàn)電子的概率。不同能量的電子在氫原子中運動的波函數圖。亮度代表在該點發(fā)現(xiàn)電子的概率。

根據這款app開發(fā)商的宣傳，在“宇宙分裂器”app中輸入你要做出選擇的兩個可能結果，然后按下按鈕之后，它將連接到瑞士日內瓦一家實驗室的一個量子器件上。該器件向部分鍍銀的鏡子發(fā)射單個光子。光子遇到鏡子有兩種可能：50%的概率反彈回來;50%的概率透過去。按“多世界解釋”，當光子遇到鏡子，宇宙就分裂成了兩個：如果在我們這個世界，該光子反彈回來，被你用探測器探測到了，那么在另一個世界，該光子則透過去了，等待著探測反彈光子的探測器，將一無所獲。

如果該實驗裝置測量到了反彈光子，而光子“反彈”對應“蛋糕”的選擇，那么app就告訴你應該選擇蛋糕。

“多世界解釋”面臨的困境

上面介紹的“宇宙分裂器”app多少像個噱頭，我們暫且撇開不管。現(xiàn)在談談困擾著“多世界解釋”的一個問題。

前面提到，在“多世界解釋”中，量子測量的每一個可能結果都將以100%的確定性發(fā)生。但我們最早不是說，薛定諤波函數中包含有各種可能結果的概率信息嗎？那么，那些概率究竟意味著什么呢？

這是埃弗雷特“多世界解釋”思想的最大絆腳石：因為既然所有可能性都能100%確定地發(fā)生，那你得解釋為什么量子力學看起來是由概率統(tǒng)治的。

為了讓你明了，這里不妨舉個例子。比如說一個光子遇到半鍍銀的鏡子，一種情況是“反彈回來的概率是20%，透射過去的概率是80%”;另一種情況是“反彈回來的概率是70%，透射過去的概率是30%”。這在我們看來，顯然是兩種不同的情況。但是，按埃弗雷特的“多世界解釋”，不管光子反彈或透射的概率是多少，反彈和透射都將以100%的概率完全確定地發(fā)生。那這樣一來，上述兩種有著不同反彈（或透射）概率的情況，就沒有任何區(qū)別了。

提出“多世界解釋”休·埃弗雷特

以色列特拉維夫大學的物理學家列夫·瓦德曼提出一種辦法來克服涉及“多世界解釋”的概率問題。他的解釋被稱為“自我定位的不確定性”。他用一個思維實驗來說明這一點。

想象一下，你吞服下一片安眠藥，睡在一間放有一只保險箱的房間里。睡前你就知道，當你睡著之后，其他人會做一個量子實驗——比如說，對著半鍍銀的鏡子發(fā)射一個光子——并根據結果決定，要么在保險箱里放100萬美元，要么什么都不放。根據“多世界解釋”，實驗結束后，宇宙分裂成兩個：在一個宇宙里，保險箱里放了100萬美元;在另一個宇宙，保險箱里空空如也。當然，睡著的你也分裂成了兩個。如果你是全知全能的上帝，置身在這兩個分裂的宇宙之外，哪個宇宙中的保險箱里藏有100萬美元，當然是一目了然的。但問題是，你不是上帝，你只能出現(xiàn)在兩個分支宇宙中的一個。所以，當你醒來時，你并不知道自己處于分裂后的哪個宇宙。所以，你為了知道保險箱里的情況，不得不去猜測。比如說，有50%的概率，保險箱里放了100萬美元;有50%的概率，保險箱里一分錢都沒有。于是在“多世界解釋”的劇情中，概率就出現(xiàn)了。這里之所以出現(xiàn)概率，是因為在宇宙分裂之后，我們無法確定自己出現(xiàn)在多重宇宙的哪一個分支。

不知上述解釋讓你信服沒有？如果你沒想明白也不要緊，因為很多理論家也跟你一樣想不明白。你越想，你會感覺這個問題越深奧、越頭疼。比如，你還可以繼續(xù)追問：當宇宙分裂時，“我”意味著什么？在上面那個思維實驗中，進入睡眠的“我”和醒來的“我”是一樣嗎？還有，在量子力學的傳統(tǒng)觀點中，測量是塑造現(xiàn)實（迫使波函數坍縮，讓其結束各種可能性的混合狀態(tài)，選擇一種確定的結果呈現(xiàn)）的一種手段，而在“多世界解釋”中，測量似乎是我們用來分裂宇宙的手段。兩種解釋同樣都那么玄乎，我們該選擇信哪一個呢？在這個問題上，難道我們也要按一下“宇宙分裂器”來做決定嗎？