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真的存在“平行宇宙”吗?(上)

时间:2022-08-25 00:47:28 | 浏览:813

作者:鲁超本文来自科普博览大家族科学大院(ID:kexuedayuan)说到“平行宇宙”,科幻迷、影视迷都会脑洞大开:在我们生活的宇宙之外,还有其他宇宙存在,那边还有一个“我” ……然而, 让人吃惊的是,“平行宇宙”这个概念真不是作家的异想

作者:鲁超

本文来自科普博览大家族科学大院(ID:kexuedayuan)

说到“平行宇宙”,科幻迷、影视迷都会脑洞大开:在我们生活的宇宙之外,还有其他宇宙存在,那边还有一个“我” ……

然而, 让人吃惊的是,“平行宇宙”这个概念真不是作家的异想天开,而是科学家提出来的。只不过,科学家眼中的“平行宇宙”并不是“还有一个我”那么简单,他们叫它“多宇宙”

(图片来源:凤凰网)

若论人类历史上最最精彩的辩论,非爱因斯坦和玻尔的“世纪论战”莫属。

1927年,第五届“索尔维会议”在比利时布鲁塞尔召开,这次的主题是“电子和光子”。除了索末菲和约尔当等少数科学家,世界上最有名的科学家悉数到场,留下了那张号称凝聚了人类一半智慧的“物理学全明星梦之队”世纪照片。

这是人类科学史,甚至人类历史上最珍贵的一张照片,没有之一(图片来源:wiki)

前四天波澜不惊,爱因斯坦一直没说话,即使第三天玻尔、玻恩、海森堡“三英战吕布”齐怼薛定谔,爱因斯坦依然稳如泰山。到了第五天下午,大神们开始上台做总结陈词。洛伦兹点名让玻尔发言,玻尔重申了他的“哥本哈根解释”:在测量电子的位置之前,讨论电子在哪里没有意义。也就是说,这个物理世界并没有什么“客观现实性”,物理学家去讨论“本质”是无聊之举。

看看吧,因为量子力学的出现,在原本稳定而实在的时空里荡起了一阵微妙的涟漪,世界变得模糊而不确定起来。

(图片来源:google)

一直在台下坚如磐石的爱因斯坦终于坐不住了:“什么?哥本哈根学派简直是一群神棍!物理学家就是要去深究万物之理,不去讨论世界的本质,那还研究什么?”

他大步走上讲台,在黑板上画了一个电子穿过小孔在屏幕上得到衍射图像。按照“哥本哈根解释”:电子穿过小孔后,冲向屏幕的是一团概率波,屏幕任何一点都可能成为它的落脚点,观察后发现电子落在A点,这就是“波函数坍缩”!问题来了,屏幕上其他点竟然要同时对电子的观测做出反应,这似乎暗示了一种超距作用,也就违背了相对论里的“光速不变原理”!

哥本哈根解释:测量后,概率波函数坍缩成具体位置。爱因斯坦:处处瞬间坍缩?超光速了!(图片来源:wiki)

这场世纪论战由此展开。笃信因果律的爱因斯坦认为:“上帝不会掷骰子!”而玻尔的哲学是:“你不要指挥上帝怎么做。物理学的任务,不是要找出自然是什么,而是对于自然,我们能说什么。”

爱因斯坦:上帝不玩骰子。玻尔:别指挥上帝怎么做。(图片来源:google)

在众多相信实证的物理学家眼里,玻尔的哥本哈根解释才是科学的态度,而当年物理学界最反叛最具革命性的爱因斯坦这次竟然站到了新生的量子力学的对立面上,成为了守旧的代名词。艾伦菲斯特甚至气愤的说:“爱因斯坦,我为你感到脸红!你把自己放到了那些徒劳推翻相对论的人一样的位置上了!”

在这之后的几年里,爱因斯坦卷土重来,用“光箱实验”和“EPR佯谬”轮番向玻尔施压,均被玻尔一一化解。(当然爱因斯坦并不认为自己在“EPR佯谬”上输了,这个梗一直到50年后才真正得到解决,这是后话。)

眼看爱因斯坦即将败走麦城,薛定谔挺身而出,他写信给爱因斯坦,信中构想了一个实验:

一只猫被关在一个密闭的盒子里,猫的生死取决于一个放射性原子的状态,在一定时间内,这个原子有50%的几率衰变,衰变反应会被盖革计数器观测到,并通过继电器释放一个锤子击碎一小瓶氢氰酸,这只猫就会死亡。

按照哥本哈根解释,量子系统在被观察之前一直处于叠加状态,那么这只猫在打开盒子之前,是处于一种“既死又活”的状态。如此超越凡人日常经验的思想实验,被后人称为“薛定谔的猫”,位列物理学四大神兽!

“薛定谔的猫”(图片来源:wiki)

“薛定谔的猫”之所以影响深远,在于薛大神用他那超人的智慧将微观的量子效应放大到了我们的日常世界。如果哥本哈根学派继续嘴硬,他们就不得不硬着头皮 承认:“确实如此,没打开盒子之前,那只猫确实是‘既死又活’的!”

爱因斯坦收到薛定谔的信后大喜过望,他在回信中说:“如果只有一个人是诚实的,那个人就是你(除了劳厄),因为你知道无法回避现实。其他人根本不知道他们在玩什么冒险游戏,(他们必须明白),现实是要建立在实验的基础上!”

在这之后,爱因斯坦更是如此嘲讽哥本哈根学派:“难道这意味着,我不看月亮的时候,月亮就不存在?”

爱因斯坦:我真的说过这句话。(图片来源:google)

哥本哈根学派科学家们似乎遇到了最大的危机,薛定谔用一只猫把他们推到了风口浪尖上,而同时对量子力学的研究也不仅仅局限于微观世界的物理意义,更是上升到了宏观世界的日常现象,甚至被推上了哲学高度。

中国大哲人王阳明说过与爱因斯坦类似的话:“汝未看此花时,此花与汝心同归于寂?”而贝克莱大主教也说过“存在即是被感知”。过去,科学家们只把这当成哲学上的唯心梦呓,科学研究的应该是 “可实证”的现实世界。而如今,按照哥本哈根解释,我们的宇宙该是如何,竟然取决于我们的观测,难道我们竟然处于一个“唯心”的世界?

王阳明:我也真的说过这话。(图片来源:google)

“薛定谔的猫”这个梗当然逃脱不了科幻作家的视野,比如刘慈欣的《球形闪电》中:球形闪电竟然是比我们世界更高一层“宏世界”里的宏电子,它之所以飘忽不定可以穿墙而入,就因为它的量子效应。人、动物和其他物体被球形闪电击中,表面上变成一摊灰烬,实际上是变成了量子叠加态,弥散在空间中。偶尔他们还是会存在于我们的世界,但只要一观察,他们就立马消失了,这似乎就是“鬼魂”。

薛定谔一直想跟玻尔当面交流猫的问题,可惜的是,二战爆发了,薛定谔被迫辗转到爱尔兰,在这里他写下了《生命是什么》。1952年,他在都柏林做了一次演讲,谈到了他的猫,他开玩笑地警告他的听众,他将要说的话可能“看起来很疯狂”。按照他的说法,“薛定谔方程”所描述的似乎是几个不同的历史,它们“是同时发生的”。

原来,是薛大神第一个提出了“多世界”的设想。

薛定谔在都柏林另一次演讲的照片,他正在讲解生命的实质(图片来源:google)

薛定谔在都柏林的演讲后第二年,一个化学系本科毕业的小伙子进入普林斯顿大学数学系,研究军事博弈学。很快他又对理论物理产生了兴趣,一边跟着魏格纳(1963年诺贝尔物理学奖)学习数学物理方法,一边完成了军事博弈学论文,取得了硕士学位。到了博士期间,他终于找到了自己的兴趣,于是他投身惠勒门下研究量子力学基本原理。

他的同学如此评价他:“他太聪明了!从化学工程到数学,再到物理,其实他整天都在看科幻小说。我想说,这就是天赋。”这个天赋异禀的小伙子叫做休·艾弗雷特,由于他的父亲和祖父也起了相同的名字:休,所以我们也可以叫他“艾弗雷特三世”。

(图片来源:wiki)

艾弗雷特在1956年将他博士期间的研究汇编成一篇长论文《没有概率的波动力学》(Wave Mechanics Without Probability),他在文中提出一个革命性的观点,认为 “波函数坍塌”这个违背直觉的设定就应该被“奥卡姆剃刀”砍掉,还不如承认波函数的客观存在。之所以会遇到“薛定谔的猫”这种悖论,那是因为这时“分裂”成多个宇宙,在某些宇宙里面猫死了,某些宇宙里面猫还活着。这两个宇宙“分裂”之后(请注意这里的用词:“分裂”),彼此孤立,再也没有交集,可以认为它们彼此“平行”,因此艾弗雷特的“多宇宙”也被称为“平行宇宙”。在其他一些地方,也有过“多重宇宙”的说法,它们都是一个意思。

猫死猫活的问题被艾弗雷特用多宇宙来解释了(图片来源:wiki)

有了“多宇宙”,量子力学里最最神秘的双缝干涉实验就容易解释了。

双缝干涉实验,在每一本中学物理教科书上都可以找得到,托马斯杨用这个著名实验证明了光的波动性。但是量子力学发展起来以后,有人想,如果用电子(或光子)一个个通过双缝,还会产生干涉条纹吗?说电子是波,当然应该产生干涉条纹啊,但电子明明是一个个通过的,难道它自己和自己干涉了吗?说电子是粒子,那这个电子究竟走了哪条缝呢?

实验物理学家说:不要吵,做个实验。

随着实验手段的进步,还真有人做出了这样的实验,比如日本科学家外村彰给出的实验结果图案,如下图,分别为11个、200个、6000个、40000个和140000个电子打在屏幕上出现的光点,可看出,随着电子数越来越多,屏幕上逐渐出现了明暗条纹。

单电子干涉实验结果(图片来源:wiki)

单电子也能产生双缝干涉条纹,似乎已无争论,但电子究竟走的是哪条缝呢?按照艾弗雷特的多宇宙理论就简单多了,根本就不需要“波函数坍缩”这个假设,就记住一点,在某些宇宙里面,电子走左缝,而另一些宇宙里面,电子走右缝。

艾弗雷特用一个多宇宙的设定,一下子完美的解释了很多量子现象,比如EPR佯谬、冯诺依曼的边界问题甚至波粒二象性,都一目了然了。更重要的是,量子力学终于摆脱了“观察者”这个空中楼阁,虽然多了很多宇宙,但终于回归了现实世界,很多人心里踏实多了,长舒了一口气。

艾弗雷特三世:多世界理论是唯一能够完全一致的解释量子力学和世界现实的的方法。(图片来源:google)

1959年,艾弗雷特满怀憧憬来到哥本哈根面见玻尔。谁能想到,这竟然成了一次“灾难性”的拜访,对于量子力学的老学究们来说,“多宇宙”已经不止是离经叛道,而简直是异端邪说了!事后,玻尔的追随者莱昂•罗森菲尔德(Leon Rosenfeld)说,艾弗雷特“愚蠢得难以形容,连量子力学中最简单的东西都无法理解。” 而艾弗雷特自己回忆起这个故事也说到:“(这次访谈)从一开始就注定是地狱……”

后来的另一次会面,玻尔(左三)和艾弗雷特三世(右二)在普林斯顿大学。(图片来源:google)

这次会晤让艾弗雷特心灰意冷,他离开了科学界,进入美国国防部,成为军事专家。后来又出来创业,竟然很快成了百万富翁。而他的“多宇宙”却几乎被丢进垃圾桶里,几乎无人问津。

到了1970年,德威特才发现了艾弗雷特尘封已久的惊人设想,一下子获得了全世界的瞩目!这是后话。

艾弗雷特在物理学界以外的幸福生活。(图片来源:google)

艾弗雷特在上世纪70年代末曾想过重返物理学界,1977年应惠勒的邀请,他来到得克萨斯州奥斯汀做了一次演讲,很受欢迎,而艾弗雷特也见到了多年来一直帮自己理论做推广的德威特,以及后来一直帮多宇宙理论站台的惠勒的学生——多伊奇。惠勒也准备在加州为艾弗雷特建造一个研究所,但他自己却始终与多宇宙理论保持距离。后来艾弗雷特终究没能回到物理学界的中心,一直保持着“世外高人”的姿态,他自己仍然对他的孩子——“多宇宙”充满信心:“我必将因多宇宙理论而(在物理学史上)留名!”

1981年,艾弗雷特因为心脏病去世,他的儿子后来回忆道:“艾弗雷特对多宇宙理论从未动摇过信念!”

“多宇宙”理论最为吸引人的是,它抛弃了“观察者”的特殊地位,每一个宇宙都是客观的历史和演化。诸如费曼、温伯格、霍金、盖尔曼等大牛,都曾经表示自己支持多宇宙的观点。霍金虽然曾经常开玩笑:“一听到薛定谔的猫,就想去拿枪”,但却多次表示,多宇宙“显然是正确的”。

△盖尔曼:艾弗雷特的作品(多宇宙)被很多人描述为不同的世界,他认为每一个不同的历史,分支的历史,都被赋予了某种现实。(图片来源:google)

也有不少大科学家旗帜鲜明的反对,比如贝尔、彭罗斯、斯特恩等。最为典型的反对原因是,为了一个电子,竟然如此兴师动众,引入这么多宇宙?这也太“杀鸡用牛刀”了吧?更何况,多出来这么多宇宙,能量守恒在哪里呢?

多出来这么多宇宙,能量守恒往哪里放?(图片来源:google)

普林斯顿大学教授保罗·斯坦哈特有句著名的论断:“如果一个理论能提供所有可能的结果,那么任何实验都不能排除这个理论。”

与之类似,著名宇宙学家、科普作家卡尔·萨根有一个“车库里的喷火龙”的段子:有人跟你说你家车库里有只喷火龙,但是它既看不见,也摸不着,用各种物理探测方法都无法检测得到,也对环境没有任何影响,它是一个永远无法推翻的命题。

科学哲学家波普尔曾经提出过一个非常重要的问题,也是现在科学界公认的一条黄金定律——一个学说只有具备可证伪性才应该被肯定。

喂,你家车库有条喷火龙!(图片来源:google)

(未完待续)

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