物理学家们为何提出多重宇宙

文/李凡

1957年,普林斯顿大学的博士生艾弗雷特(Hugh Everett)在博士论文中提出并行空间的概念。示意图。(公有领域)


近年来,多重宇宙成了物理研究的热门话题。电影大片也常常以这为题材,让主人公穿越不同空间,令人神往。

如果说多重宇宙是好莱坞制片人的创意,这我完全理解;可是物理学家是最相信实证、思维最为严谨的一批人,多重宇宙出自于他们的笔下,让我不由得询问,到底是什么,让他们走上了这条“最不情愿的路”。的确,爱因斯坦在批驳波尔量子力学时就曾经说过,“上帝是不会玩骰子的。”

回顾牛顿物理的美好时光,一切物体都有确定的轨迹,一切轨迹,又都有完美的公式解释。可是好景不长,微观世界的运动,比如光的波粒二相性,让物理学家们陷入了漫长的“噩梦”。

这一切,都开始于著名的“双缝实验”。在这个实验中,一束单色光被一个屏障遮挡,屏障上面开了两条平行的狭缝,使得光束能够通过它们,投射到对面的屏幕上。

可以想像,如果屏障上只有一条狭缝,那么屏幕上应该对应的出现一片亮光。事实的确如此。

可是如果屏障上有两条狭缝,是不是就应该相应出现两片亮光呢?不是。屏幕上出现了许多明暗交错的斑马条纹。这是因为光是一种波,通过两条狭缝的光波互相干涉,就像水面上的波纹在互相交错时,在有些地方波浪互相加强;有些地方,波浪就互相抵消。屏幕上明暗交错的条纹,就是光波互相加强和削弱的结果。这一现象也不足为奇,因为科学家们早就知道光是一种波,而干涉,正是波的典型特征。

双缝实验示意图。


单缝(上)和双缝(下)实验成像对比。(Jordgette/Wikimedia Commons)


可是1909年英国科学家泰勒(Geoffrey Taylor)把光子发射的速度减慢,让光子一个一个发出,同时只可能有一个光子穿过屏障,打在对面的感光底片上。随着光子一个一个打在底片上,底片上逐渐积累了一片撞击的亮点。令人吃惊的是,这团亮点,依然呈现出了干涉条纹。

泰勒的双缝实验示意图:底片上逐渐积累了一片撞击的亮点。(Jean-Christophe BENOIST/Wikipedia Commons)


由于同时只有一个光子发出,这个光子应该或者通过左侧狭缝,或者通过右侧狭缝,或者哪个也没通过。只有一个光子,谁跟谁干涉了呢?唯一可能的解释是,同一个光子,既通过了左侧狭缝,又通过了右侧狭缝,然后自相干涉。也就是说,同一个光子可以同时在不同地点出现!这完全违反了传统物理中物体位置的确定性。

在这之后,物理学家们多次重复了这个实验,显示出不同的微观粒子——电子、中子等等,都有同样的表现。他们还进行了这个实验的多种升级版,以排除实验错误,或者是测量过程中引入的干扰。然而不论如何努力,干涉条纹都依然存在。

为了解释这个现象,丹麦物理学家玻尔(Niels Bohr)在上世纪20年代提出,微观粒子可以同时在多个地点存在,因此同一个光子能够同时通过两个狭缝,自相干涉形成条纹。而光子的地点分布,是以波的形式出现。

因此光波是一种概率的波。在两个波峰重叠的地方,两个概率互相加强,使得光子更有可能在这个地点出现;而在波峰和波谷相交的地方,概率就互相抵消,使得光子出现的可能性减少。

1922年获得诺贝尔奖的丹麦物理学家尼尔斯‧玻尔(Niels Bohr)。(公有领域)


可是在日常生活中,物体的地点都是确定的。为了弥合这一区别,玻尔认为,任何观察的行为都会使微观粒子的不确定性得以确定化,从而使粒子有了确定的地点。由于这一解释是几名哥本哈根的物理学家提出的(包括玻尔),这一解释被称作“哥本哈根诠释”。

这一理论准确地解释了双缝实验的结果。不但如此,这一理论在众多微观世界的观察中都得到了准确的验证,而且屡试不爽。

然而爱因斯坦却难以接受这一理论。他驳斥道,“上帝是不会玩骰子的。”玻尔也毫不客气,反驳道,“别再告诉上帝该干什么了。”

为了推翻玻尔的量子力学,1935年爱因斯坦和另外两名科学家合作发表了一篇论文。在论文中,爱因斯坦证明,假如玻尔量子力学是正确的,就可以推论出存在量子纠缠现象。也就是说,当两个微观粒子充分接近时,两者之间可以产生一种联系。比如说,一个粒子上旋,那么另一个粒子就一定是下旋。如果观察者不去观察其中任何粒子,两个粒子的“上下”以及“下上”这两种组合是同时存在的。可是,如果观察者偷看了其中一个粒子,知道它是上旋,那么不论距离多远,另一个粒子的状态也立即被确定,并且一定是下旋。

由于观察之前两种可能同时存在,而观察后却只有一个可能了,因此观察前后存在着客观的变化。然而,不论两个粒子间的距离有多远,从观察一个粒子的状态,到固定另一个粒子的状态,这一过程的时间是零。换句话说,这一因果效应的传递速度是无限大。

爱因斯坦认为,在宇宙中,任何事件都只能对附近的局部地区产生影响,而因果效应向远方传递,其速度不可能超过光速。出于这一原则,爱因斯坦认为量子纠缠现象是不可能的,并把它称作为“远距离的幽灵行为”(Spooky action at a distance)。爱因斯坦把这一观点作为量子力学的反证,认为量子力学至少是“不完整的”。

在看到这篇论文后,玻尔立即跳起,向秘书口述一篇答复。可是在口述过程中,玻尔再三更改自己的言词,最终也无法找到满意的答复。

直到1972年,两人间的争论才有了分晓。1964年,英国物理学家约翰⋅贝尔(John Bell)提出了一个不等式,如果爱因斯坦正确,这个不等式就会满足;而如果玻尔正确,这个不等式就会被打破。1972年弗里德曼(Stuart Freedman)和克劳瑟(John Clauser)在这一基础上进行了实验,发现纠缠光子的统计数据违反了贝尔不等式,证明了玻尔的正确。

英国物理学家约翰⋅贝尔(John Bell)1982年在欧洲核子研究组织。(CERN/Wikimedia Commons)


可是,这一结论并不等于物理学家们的头痛有所减轻。

早在1935年,物理学家薛定谔(Erwin Schrödinger)就曾提出一个假想的实验,在这个实验中,有一个黑盒子,里面有一个原子、一个开关、一瓶毒药和一只猫,它就是大名鼎鼎的“薛定谔之猫”。实验中,如果原子发生衰变,就会启动开关,打破瓶子,造成猫的死亡。

薛定谔之猫。(Dhatfield/Wikipedia Commons)


由于原子是微观粒子,依照量子力学,应该遵从状态的不确定性。因此在观察之前,原子衰变和未衰变的状态同时存在,这只猫也就同时既是活的,又是死的。可是只要有人打开黑盒子,看一眼这只猫,根据哥本哈根诠释,这只猫的死活就被确定下来了。由于猫是宏观物体,而猫能够同时既是死的,又是活的,这一状态,违反了宏观物体确定性的常规认识,因而被称为薛定谔悖论。

为了弥合这一悖论,1957年,普林斯顿大学的博士生艾弗雷特(Hugh Everett)在博士论文中提出放弃哥本哈根诠释,认为微观粒子和宏观物体遵循同一规律,都存在不确定性。而宏观物体的不确定性,在于多个并行空间的存在:除了我们这个世界,还有许多不同的世界,有些里面有我们这样的人类社会,有些也许没有。如果今天中午您去了家中餐馆,也许在另外一个空间里,你却去了韩国餐馆,多种可能同时存在。

双缝实验的一个升级版,也似乎符合这一设想。在这个实验中,发射的粒子不是光子、电子这样的小粒子,而是由60个碳原子组成的球状大分子(buckyball)。实验中也显示出干涉条纹,表明这些分子的位置有不确定性。

其实,早在玻尔提出概率波的时刻,似乎已经埋下了多重世界的伏笔。因为根据概率论,概率是定义在“样本空间”上的。而样本空间中的每一个可能性,都是一个不同的现实。如果投掷一枚硬币,看到正面朝上,那么在这次投掷中,反面朝上的可能性就没有出现,它只存在于另一个现实中。谈到概率,就不能不谈样本空间,而样本空间,本身就是不同版本的现实。

随着时间的推移,量子力学不但没有变得通俗易懂,反而更加神乎其神:不但并行空间成为可能,甚至对时间的认识也和传统大相径庭。现在物理学家们认为,过去、现在和未来都同时存在,而且时间还可能逆转。似乎在物理学研究中,“物质”的成分越来越少,而我们的世界,却越来越像个巨大的信息系统。

正像美国哥伦比亚大学物理学教授布莱恩·格林(Brian Greene)在他的科普纪录片《宇宙的构造》(The Fabric of the Cosmos,又译:超乎想像的宇宙)中所说:

“就拿我来说吧。我看起来很真实对吧?也许是,不过令人吃惊的新线索正在展现出来,显示出你和我,甚至整个空间,都是一种全息影像。”(“Take me for example. I seem real enough, don’t I? Well yes, but surprising new clues are emerging, that everything, you and I and even space itself, may actually be a kind of hologram.”)

其实佛家早就认识到了并行空间的存在。根据佛家的认识,当一个人降生的时候,许多不同的空间中,都有一个他同时降生。佛家还认为,人的一生就像电影一样,过去、现在和未来同时存在。

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