定義
眾所周知,量子力學哥本哈根解釋認為觀測者對微觀世界是有影響的,特別值得一提的有趣實驗是“電子究竟穿越了哪條縫”“量子自殺”“薛丁格的貓”等等.但是把人類意識牽扯到對微觀世界的決定上面似乎存在重重哲學上的困難,以至於後來的許多科學家都提出了區別於此的其他解釋,其中尤以埃弗萊特的多宇宙理論贏得了眾多的支持.
為了你能更好的理解多宇宙解釋,我不妨把電子雙縫實驗敘述的詳盡一些.
經典理論看來,在電子雙縫干涉的實驗中單個電子只通過了一條狹縫,在一條狹縫中穿過的粒子卻發生了干涉,我們若想在兩道狹縫處都安裝上某種儀器,為的是記錄下來電子路徑或者發出警報,那不就成了?這種儀器又不是複雜而不可製造的.而實際上我們的確可以裝上這種儀器.但是,一旦我們試圖測定電子究竟通過了哪條縫時,我們永遠只會在其中的一處發現電子.兩個儀器不會同時響電子是一個粒子,它每次只能通過一條狹縫,奇妙的是,一旦我們展開這種測量的時候,干涉條紋也就消失了.哥本哈根的解釋認為人意識的參與導致了電子波函式的坍縮.
（以下內容選自參考資料《上帝擲骰子嗎——量子物理史話》,）我們無法準確地定義一個“觀測者”!一個人和一台照相機之間有什麼分別,大家都說不清道不明,於是給“意識”乘隙而入.而把我們逼到不得不去定義什麼是“觀測者”這一步的,則是那該死的“坍縮”.一個觀測者使得波函式坍縮?這似乎就賦予了所謂的觀測者一種在宇宙中至高無上的地位,他們享有某種超越基本物理定律的特權,可以創造一些真正奇妙的事情出來.
真的,追本朔源,罪魁禍首就在曖昧的“波函式坍縮”那裡了.這似乎像是哥本哈根派的一個魔咒,至今仍然把我們陷在其中不得動彈,而物理學的未來也在它的詛咒下顯得一片黯淡.拿康奈爾大學的物理學家科特?戈特弗雷德(Kurt Gottfried)的話來說,這個“坍縮”就像是“一個美麗理論上的一道醜陋疤痕”,它雲遮霧繞,似是而非,模糊不清,每個人都各持己見,為此吵嚷不休.怎樣在觀測者和非觀測者之間劃定界限?薛丁格貓的波函式是在我們打開箱子的那一剎那坍縮?還是它要等到光子進入我們的眼睛並在視網膜上激起電脈衝信號?或者它還要再等一會兒,一直到這信號傳輸到大腦皮層的某處並最終成為一種“精神活動”時才真正坍縮?如果我們在這上面大鑽牛角尖的話,前途似乎不太美妙.
那么,有沒有辦法繞過這所謂的“坍縮”和“觀測者”,把智慧型生物的介入從物理學中一腳踢開,使它重新回到我們所熟悉和熱愛的軌道上來呢?讓我們重溫那個經典的雙縫困境：電子是穿過左邊的狹縫呢,還是右邊的?按照哥本哈根解釋,當我們未觀測時,它的波函式呈現兩種可能的線性疊加.而一旦觀測,則在一邊出現峰值,波函式“坍縮”了,隨機地選擇通過了左邊或者右邊的一條縫.量子世界的隨機性在坍縮中得到了最好的體現.
要擺脫這一困境,不承認坍縮,那么只有承認波函式從未“選擇”左還是右,它始終保持在一個線性疊加的狀態,不管是不是進行了觀測.可是這又明顯與我們的實際經驗不符,因為從未有人在現實中觀察到同時穿過左和右兩條縫的電子,也沒有人看見過同時又死又活的貓(半死不活,奄奄一息的倒有不少).事到如今,我們已經是騎虎難下,進退維谷,哥本哈根的魔咒已經纏住了我們,如果我們不鼓起勇氣,作出最驚世駭俗的假設,我們將注定困頓不前.
如果波函式沒有坍縮,則它必定保持線性疊加.電子必定是左/右的疊加,但在現實世界中從未觀測到這種現象.
有一個狂想可以解除這個可憎的詛咒,雖然它聽上去真的很瘋狂,但慌不擇路,我們已經是nothing to lose.失去的只是桎梏,但說不定贏得的是整個世界呢?
是的!電子即使在觀測後仍然處在左/右的疊加,但是,我們的世界也只不過是疊加的一部分!當電子穿過雙縫後,處於疊加態的不僅僅是電子,還包括我們整個的世界!也就是說,當電子經過雙縫後,出現了兩個疊加在一起的世界,在其中的一個世界裡電子穿過了左邊的狹縫,而在另一個里,電子則通過了右邊!
波函式無需“坍縮”,去隨機選擇左還是右,事實上兩種可能都發生了!只不過它表現為整個世界的疊加：生活在一個世界中的人們發現在他們那裡電子通過了左邊的狹縫,而在另一個世界中,人們觀察到的電子則在右邊!量子過程造成了“兩個世界”!這就是量子論的“多世界解釋”(Many Worlds Interpretation,簡稱MWI).
要更好地了解MWI,不得不從它的創始人,一生頗有傳奇色彩的休?埃弗萊特(Hugh Everett III,他的祖父和父親也都叫Hugh Everett,因此他其實是“埃弗萊特三世”)講起.1930年11月9日,愛因斯坦在《紐約時報雜誌》上發表了他著名的文章《論科學與宗教》,他的那句名言至今仍然在我們耳邊迴響：“沒有宗教的科學是跛足的,沒有科學的宗教是盲目的.”兩天后,小埃弗萊特就在華盛頓出生了.
埃弗萊特對愛因斯坦懷有深深的崇敬,在他只有12歲的時候,他就寫信問在普林斯頓的愛因斯坦一些關於宇宙的問題,而愛因斯坦還真的覆信回答了他.當他拿到化學工程的本科學位之後,他也進入了普林斯頓攻讀.一開始他進的是數學系,但他很快想方設法轉投物理.50年代正是量子論方興未艾,而哥本哈根解釋如日中天,一統天下的時候.埃弗萊特認識了許多在這方面的物理學生,其中包括玻爾的助手Aage Peterson,後者和他討論了量子論中的觀測難題,這激起了埃弗萊特極大的興趣.他很快接觸了約翰?惠勒,惠勒鼓勵了他在這方面的思考,到了1954年,埃弗萊特向惠勒提交了兩篇論文,多世界理論(有時也被稱作“埃弗萊特主義-Everettism”)第一次亮相了.
按照埃弗萊特的看法,波函式從未坍縮,而只是世界和觀測者本身進入了疊加狀態.當電子穿過雙縫後,整個世界,包括我們本身成為了兩個獨立的疊加,在每一個世界裡,電子以一種可能出現.但不幸的是,埃弗萊特用了一個容易誤導和引起歧義的詞“分裂”(splitting),他打了一個比方,說宇宙像一個阿米巴變形蟲,當電子通過雙縫後,這個蟲子自我裂變,繁殖成為兩個幾乎一模一樣的變形蟲.唯一的不同是,一個蟲子記得電子從左而過,另一個蟲子記得電子從右而過.
惠勒也許意識到了這個用詞的不妥,他在論文的空白里寫道：“分裂?最好換個詞.”但大多數物理學家並不知道他的意見.也許,惠勒應該搞得戲劇化一點,比如寫上“我想到了一個絕妙的用詞,可惜空白太小,寫不下.”在很長的一段時間裡,埃弗萊特的理論被人們理解成：當電子通過雙縫的時候,宇宙神奇地“分裂”成了兩個獨立的宇宙,在一個裡面電子通過左縫,另一個相反.這樣一來,宇宙的歷史就像一條岔路,每進行一次觀測,它就分岔成若干小路,每條路對應於一個可能的結果.而每一條岔路又隨著繼續觀察而進一步分裂,直至無窮.但每一條路都是實在的,只不過它們之間無法相互溝通而已.
假設我們觀測雙縫實驗,發現電子通過了左縫.其實當我們觀測的一瞬間,宇宙已經不知不覺地“分裂”了,變成了幾乎相同的兩個.我們現在處於的這個叫做“左宇宙”,另外還有一個“右宇宙”,在那裡我們將發現電子通過了右縫,但除此之外一切都和我們這個宇宙完全一樣.你也許要問：“為什麼我在左宇宙里,而不是在右宇宙里?”這種問題顯然沒什麼意義,因為在另一個宇宙中,另一個你或許也在問：“為什麼我在右宇宙,而不是左宇宙里?”觀測者的地位不再重要,因為無論如何宇宙都會分裂,實際上“所有的結果”都會出現,量子過程所產生的一切可能都對應於相應的一個宇宙,只不過在大多數“蠻荒宇宙”中,沒有智慧型生物來提出問題罷了.
這樣一來,薛丁格的貓也不必再為死活問題困擾.只不過是宇宙分裂成了兩個,一個有活貓,一個有死貓罷了.對於那個活貓的宇宙,貓是一直活著的,不存在死活疊加的問題.對於死貓的宇宙,貓在分裂的那一刻就實實在在地死了,不要等人們打開箱子才“坍縮”,從而蓋棺定論.
從宇宙誕生以來,已經進行過無數次這樣的分裂,它的數量以幾何級數增長,很快趨於無窮.我們現在處於的這個宇宙只不過是其中的一個,在它之外,還有非常多的其他的宇宙.有些和我們很接近,那是在家譜樹上最近剛剛分離出來的,而那些從遙遠的古代就同我們分道揚鑣的宇宙則可能非常不同.也許在某個宇宙中,小行星並未撞擊地球,恐龍仍是世界主宰.在某個宇宙中,埃及豔后克婁帕特拉的鼻子稍短了一點,沒有教愷撒和安東尼怦然心動.那些反對歷史決定論的“鼻子派歷史學家”一定會對後來的發展大感興趣,看看是不是真的存在歷史蝴蝶效應.在某個宇宙中,格魯希沒有在滑鐵盧遲到,而希特勒沒有在敦刻爾克前下達停止進攻的命令.而在更多的宇宙里,因為物理常數的不適合,根本就沒有生命和行星的存在.
嚴格地說,歷史和將來一切可能發生的事情,都已經實際上發生了,或者將要發生.只不過它們在另外一些宇宙里,和我們所在的這個沒有任何物理接觸.這些宇宙和我們的世界互相平行,沒有聯繫,根據奧卡姆剃刀原理,這些奇妙的宇宙對我們都是沒有意義的.多世界理論有時也稱為“平行宇宙”(Parallel Universes)理論,就是因為這個道理.
宇宙的“分裂”其實應該算是一種誤解,不過直到現在,大多數人,包括許多物理學家仍然是這樣理解埃弗萊特的!這樣一來,這個理論就顯得太大驚小怪了,為了一個小小的電子從左邊還是右邊通過的問題,我們竟然要興師動眾地牽涉整個宇宙的分裂!許多人對此的評論是“殺雞用牛刀”.愛因斯坦曾經有一次說：“我不能相信,僅僅是因為看了它一眼,一隻老鼠就使得宇宙發生劇烈的改變.”這話他本來是對著哥本哈根派說的,不過的確代表了許多人的想法：用犧牲宇宙的代價來迎合電子的隨機選擇,未免太不經濟廉價,還產生了那么多不可觀察的“平行宇宙”的廢料.MWI後來最為積極的鼓吹者之一,德克薩斯大學的布萊斯?德威特(Bryce S. DeWitt)在描述他第一次聽說MWI的時候說：“我仍然清晰地記得,當我第一次遇到多世界概念時所受到的震動.100個略有缺陷的自我拷貝,都在不停地分裂成進一步的拷貝,而最後面目全非.這個想法是很難符合常識的.這是一種徹頭徹尾的精神分裂症……”對於我們來說,也許接受“意識”,還要比相信“宇宙分裂”來得容易一些!
不難想像,埃弗萊特的MWI在1957年作為博士論文發表後,雖然有惠勒的推薦和修改,在物理界仍然反應冷淡.埃弗萊特曾經在1959年特地飛去哥本哈根見到玻爾,但玻爾根本就不想討論任何對於量子論新的解釋,也不想對此作什麼評論,這使他心灰意冷.作為玻爾來說,他當然一生都堅定地維護著哥本哈根理論,對於50年代興起的一些別的解釋,比如玻姆的隱函式理論(我們後面要談到),他的評論是“這就好比我們希望以後能證明2×2=5一樣.”在玻爾臨死前的最後的訪談中,他還在批評一些哲學家,聲稱：“他們不知道它(互補原理)是一種客觀描述,而且是唯一可能的客觀描述.”
受到冷落的埃弗萊特逐漸退出物理界,他先供職於國防部,後來又成為著名的Lambda公司的創建人之一和主席,這使他很快成為百萬富翁.但他的見解——後來被人稱為“20世紀隱藏得最深的秘密之一”的——卻長期不為人們所重視.直到70年代,德威特重新發掘了他的多世界解釋並在物理學家中大力宣傳,MWI才開始為人所知,並迅速成為熱門的話題之一.如今,這種解釋已經擁有大量支持者,坐穩哥本哈根解釋之後的第二把交椅,並大有後來居上之勢.為此,埃弗萊特本人曾計畫復出,重返物理界去做一些量子力學方面的研究工作,但他不幸在1982年因為心臟病去世了.
在惠勒和德威特所在的德州大學,埃弗萊特是最受尊崇的人之一.當他應邀去做量子論的演講時,因為他的菸癮很重,被特別允許吸菸.這是那個禮堂有史以來唯一的一次例外.
