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西班牙阿拉贡自治区韦斯卡:玄之又玄!“平行宇宙”理論是怎么回事?

2019-10-08 10:34:36  來源:Nature自然科研

韦斯卡距离马德里 www.mdkice.com.cn 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·克里斯(Robert P。 Crease)對此深表贊賞。

《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貍與葡萄的故事。一只饑餓的狐貍很想吃到從藤蔓上垂下的一串葡萄。即便發現自己夠不到,這只狐貍還是拒絕承認失敗,并且宣稱那些葡萄是酸的,不能吃,然后就離開了。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。

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?! 】薅醯糜Ω檬士啥?。他認為,按照多世界理論(many-worlds theory),狐貍能吃到葡萄。這一理論由美國物理學家休·埃弗里特(Hugh Everett)在20世紀50年代后期首先提出,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。(多世界理論不同于多元宇宙(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,并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,盡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,討論了其在后埃弗里特時代的演化,以及為什么我們所在的世界是現在這個樣子??薅瓢8ダ鍰氐惱飧齦拍釷?ldquo;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,它代表了關于粒子位置和特征的無數種可能性,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并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,預測是基于概率的,以及是什么導致了波函數塌縮。

 休·埃弗里特(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·哈里森(David Harrison))

休·埃弗里特(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·哈里森(David Harrison))  我們從塌縮的波函數當中能得到些什么呢?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??薅攀雋爍綾竟饈偷募鋼痔媧槳?,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??死鎪雇懈?middot;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征。海森堡晚年的時候提出我們必須改變“現實”概念本身。借用亞里士多德提出的“效能”(potency)概念(比如,給予正確的條件后,橡果就有成為橡樹的潛力 ),他認為波函數只代表了“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么區別。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

對于物理學家來說,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“薛定諤的貓”的思想實驗中,那只貓的“貓生”只是分叉到了不同的世界,每個世界當中有且只有一只盒子里的貓??薅貢礱?,該理論為某些復雜現象提供了更簡單的解釋,例如為什么黑洞會有輻射。此外,該理論可能有助于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??薅枚琳叩靡鑰燜倭私飭孔游錮硌Т勇砜慫?middot;普朗克(Max Planck)到現在的發展史,并解釋了為什么在引入多世界理論之前,人們對于量子力學的解讀是如此困難。該書的重頭戲是一場關于多世界理論含義的“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。

盡管如此,一般讀者可能依舊會對卡羅爾關于“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。但是憑什么物理學家可以壟斷這個概念?憑什么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、士兵和絕癥患者)生活在一個不那么基本的現實中呢?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“現實復雜性”的工具,才能解釋為什么狐貍難以吃到那些葡萄嗎?

這是多么古怪的想法啊!

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