平行宇宙的理論可靠嗎（理論是怎麼回事）

2023-05-29 17:51:58 1

來源丨Nature自然科研（ID：Nature-Research）

作者丨Robert P. Crease

肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）的新書追溯了已經擁有60年歷史的多世界理論，本文作者羅伯特·P·克裡斯（Robert P. Crease）對此深表讚賞。

《深藏之物：量子世界和時空的出現》

Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime Sean

肖恩·卡羅爾

Oneworld（2019）

在本書的開頭，肖恩·卡羅爾引用了伊索寓言中狐狸與葡萄的故事。一隻飢餓的狐狸很想吃到從藤蔓上垂下的一串葡萄。即便發現自己夠不到，這隻狐狸還是拒絕承認失敗，並且宣稱那些葡萄是酸的，不能吃，然後就離開了。在卡羅爾看來，這個寓言也概括了物理學家如何對待量子力學的那些古怪預言。

20世紀50年代提出的多世界理論（many-worlds theory）認為，平行世界每時每刻都在不斷地分叉丨Pixabay

卡羅爾覺得應該適可而止。他認為，按照多世界理論（many-worlds theory），狐狸能吃到葡萄。這一理論由美國物理學家休·埃弗裡特（Hugh Everett）在20世紀50年代後期首先提出，在這個理論中，我們所在的宇宙只是眾多平行世界中的一個，這些平行世界每一納秒（nanosecond）都在分支散開，相互之間不會交叉也不會交流。（多世界理論不同於多元宇宙（multiverse）的概念，多元宇宙的觀點是在時空的不同區域存在許多自成一體的宇宙。）

六十年過去了，這一理論依然是人類歷史上最離奇但又完全合乎邏輯的構想之一，它直接源自量子力學的基本原理，並沒有引入其他無關的元素。它已經成為了流行文化的精神食糧，儘管許多以多世界理論為靈感的電影和電視劇到頭來還是在擺弄平行世界之間相互接觸的橋段，這實際上是對多世界理論的一種藐視，比如2011年上映的電影《另一個地球》（Another Earth）。

在本書中，卡羅爾有力地解釋了多世界理論，討論了其在後埃弗裡特時代的演化，以及為什麼我們所在的世界是現在這個樣子。卡羅爾稱埃弗裡特的這個概念是「我們觀察現實的最佳視角」，很大程度上因為其純粹的邏輯性。

難以捉摸的量子波

量子力學是現代亞原子尺度物理學的基本框架。它成功地經受了近一個世紀的考驗，這其中包括法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）證實量子糾纏的實驗，量子糾纏也即某些量子現象的長距離作用。

在量子力學中，世界由兩種基本成分組合而成。其一是波函數，也即一種平滑的、可以完全確定的數學表達式，它代表了關於粒子位置和特徵的無數種可能性，可以用來描述粒子的信息。其二是波函數的塌縮，也即實現一種可能性並消除所有其他可能性。人們關于波函數塌縮是如何發生的有不同意見——可能是由觀察波函數所造成的，或者是波函數遇到經典世界的某些部分引起的。

許多物理學家不假思索地接受了上述物理學圖景。實際上，在20世紀20年代由尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）和維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）創立的名為「哥本哈根解釋」（Copenhagen interpretation）的概念，一直被物理學家們沿用至今。但哥本哈根解釋依然有一些難以全盤接受的因素，比如波函數是不可觀測的，預測是基於概率的，以及是什麼導致了波函數塌縮。

休·埃弗裡特（右二）創立了多世界理論。（圖上從左至右分別為：查爾斯·米斯納（Charles Misner）、黑爾·特羅特（Hale Trotter）、尼爾斯·玻爾和大衛·哈裡森（David Harrison））丨Alan Richards/AIP Emilio Segre Visual Archives

我們從塌縮的波函數當中能得到些什麼呢？量子力學的方程式確實管用，但是波函數到底是啥是大家爭論如何解釋量子力學的關鍵。卡羅爾概述了哥本哈根解釋的幾種替代方案，以及它們各自的優缺點。

一種選擇是由阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）和大衛·玻姆（David Bohm）等人提出的「隱變量」（hidden variables）方法，在這個方法的描述中，波函數只是一個臨時變通之道，物理學家最終會找到新的工具取代它。克里斯多福·福徹斯（Christopher Fuchs）提出了另一種方法，被他稱為「量子貝葉斯理論」（QBism，quantum Bayesianism），他認為波函數的本質是主觀的。因此，它僅僅指導我們去相信測量結果，而不是亞原子世界本身的真實特徵。海森堡晚年的時候提出我們必須改變「現實」概念本身。借用亞里斯多德提出的「效能」（potency）概念（比如，給予正確的條件後，橡果就有成為橡樹的潛力 ），他認為波函數隻代表了「中間」水平現實。

卡羅爾認為，多世界理論是理解量子力學最直接的方法。這一理論接受波函數作為描述現實的工具。實際上，在多世界理論中有且只有一個波函數用來描述整個宇宙。此外，當一個事件發生在我們的世界時，波函數中包含的其他可能性不會消失。相反，新的世界被創造出來，每種可能性都會成為現實。

該理論十分簡潔而且符合量子力學的邏輯，所以卡羅爾稱之為「勇敢」的方法。他聲稱，不需要擔心那些額外的世界，畢竟我們看不到它們，如果多世界理論是對的，我們甚至不會注意到有什麼區別。其他世界與我們自己的世界是相互平行的，所以叫它們「鬼界」似乎也無妨。

貓的影分身

對於物理學家來說，這個理論很有吸引力，因為它解釋了許多量子力學的難題。例如，在「薛丁格的貓」的思想實驗中，那隻貓的「貓生」只是分叉到了不同的世界，每個世界當中有且只有一隻盒子裡的貓。卡羅爾還表明，該理論為某些複雜現象提供了更簡單的解釋，例如為什麼黑洞會有輻射。此外，該理論可能有助於推動解決現存的物理學難題，例如如何統一量子力學與相對論。

《深藏之物》這本書是科普性質的，它讓大眾知道物理學家們仍在爭論量子力學的含義。卡羅爾讓讀者得以快速了解量子物理學從馬克斯·普朗克（Max Planck）到現在的發展史，並解釋了為什麼在引入多世界理論之前，人們對於量子力學的解讀是如此困難。該書的重頭戲是一場關於多世界理論含義的「蘇格拉底式對話」，對話雙方是一位富有哲思的物理學家和一位擁有科學素養的哲學家，作者設計這個對話的目的是為了掃除一般讀者可能秉持的某些直覺性想法。

儘管如此，一般讀者可能依舊會對卡羅爾關於「現實」的輕描淡寫的處理方式存疑。像許多物理學家一樣，卡羅爾認為所謂現實就是一種科學理論的描述。但是憑什麼物理學家可以壟斷這個概念？憑什麼物理學家有權力說其他人（更不用說那些生活在極端情況下的人們，比如難民、士兵和絕症患者）生活在一個不那麼基本的現實中呢？是不是我們必須遵循海森堡的指導？也就是說，我們必須依靠哲學家們已經發展了數千年的討論「現實複雜性」的工具，才能解釋為什麼狐狸難以吃到那些葡萄嗎？

這是多麼古怪的想法啊！

原文以The bizarre logic of the many-worlds theory為標題，發布在 2019年 9月 2日《自然》書籍與藝術版塊。戳閱讀原文瀏覽英文原文。