丹丘生

是餡餅還是蛋糕？如果你難于選擇，也許你需要一個“宇宙分裂器”。這是最近國外流行的一款手機(jī)app。只要將你面臨的選擇輸入這個app，它就會自動連接到瑞士日內(nèi)瓦的一個實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室將進(jìn)行一個實(shí)驗(yàn)，告訴你應(yīng)該做哪項(xiàng)選擇。

這個app可以向你保證：不管最好的選擇是哪一個，你肯定都能得到它——不是這個世界的你得到，就是所謂“平行世界”里的另一個你得到?，F(xiàn)在，請坐回椅子上，倒杯白酒（或者紅酒？），準(zhǔn)備好把你的思想也分裂一下。我們即將進(jìn)入量子王國，去許多世界旅行，在那里你可以吃蛋糕，或餡餅，甚至可以同時(shí)得到兩者。你愿意嗎？

神秘且讓人困惑的波函數(shù)

這個令人愉快的建議來自一個以甜點(diǎn)聞名的城市：奧地利的維也納。在1920年代早期，奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤正在尋找一個方程來解釋當(dāng)時(shí)讓人困惑的量子（比如光子和構(gòu)成你、我、椅子和蛋糕等物質(zhì)的原子）的行為。

1925年，薛定諤終于找到了他的方程。這個方程表明，關(guān)于量子的一切都是由一個叫做“波函數(shù)”的神秘?cái)?shù)學(xué)函數(shù)來描述的。所有關(guān)于某個量子的信息，都包含在它的波函數(shù)里。

但這個波函數(shù)意味著什么呢？它如何跟實(shí)驗(yàn)對應(yīng)起來，成為可測量、可驗(yàn)證的東西？一年后，德國物理學(xué)家馬克斯·波恩對波函數(shù)提出一種解釋。他說，波函數(shù)不只是一項(xiàng)數(shù)學(xué)工具，而是跟能量、電荷等等一樣實(shí)實(shí)在在的客觀存在。如果你設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來測量波函數(shù)，在未進(jìn)行測量之前，波函數(shù)將告訴你在空間某個點(diǎn)發(fā)現(xiàn)該量子的可能性。而一旦你對它進(jìn)行測量，它就隨機(jī)地選擇一個單一的結(jié)果表現(xiàn)出來——這叫“波函數(shù)的坍縮”，即退相干原理。在波函數(shù)坍縮的過程中，原先包含的其他可能性都消失了，剩下一種可能性。

這個波函數(shù)坍縮就好比擲硬幣，當(dāng)硬幣還在空中時(shí)，它落地正反面朝上的概率均為50%，而一旦落地，那要么正面朝上，要么反面朝上，兩者必居其一。

這個解釋是相當(dāng)奇怪的。就波函數(shù)會坍縮這一點(diǎn)，顯然說明它是一種實(shí)實(shí)在在的東西。但是，它又只是一種概率。我們在經(jīng)典物理學(xué)中遇到的那些可測量的量，比如電子的電荷、椅子的位置、餡餅的質(zhì)量等等，都代表了物質(zhì)本身的一種明確屬性，而不是概率。波恩的解釋似乎暗示，只有當(dāng)我們測量了一個量子，讓其波函數(shù)“坍縮”到一個特定結(jié)果之后，我們才能真正地談?wù)撍?。再說，為什么我們一測量，波函數(shù)就會坍縮？坍縮的機(jī)制是什么？這一切波恩自己也說不清。

波恩的解釋引起了各種棘手的問題。首先，在量子實(shí)驗(yàn)中，看來測量的作用是非常大的，因?yàn)樗苁共ê瘮?shù)坍縮，從各種可能性變?yōu)橐环N確定性。但什么算是測量呢？量子實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，測量似乎不僅涉及儀器，還涉及觀察者的有意識的注意（比如說，一臺儀器已經(jīng)對某個量子進(jìn)行了測量，而且得到了結(jié)果，但在你還沒去查看結(jié)果之前，波函數(shù)還是沒有坍縮）。那么在我們“看”之前什么是“真實(shí)的”？當(dāng)我們強(qiáng)迫波函數(shù)坍縮成一個結(jié)果時(shí)，原先包含在波函數(shù)中的其他可能性究竟發(fā)生了什么，以至于消失了呢？

“宇宙分裂器”的由來

“宇宙分裂器”作為解決這些難題的一種嘗試誕生了。1950年代，美國普林斯頓大學(xué)一位名叫休·埃弗雷特的博士生發(fā)表了有史以來最令人匪夷所思的博士論文。他提出，薛定諤的波函數(shù)根本不會坍縮，并且當(dāng)我們進(jìn)行測量時(shí)，編碼在波函數(shù)中的其他可能性實(shí)際上也沒有消失。取而代之的是，每當(dāng)有人進(jìn)行測量時(shí)，宇宙就會分裂成若干個與可能結(jié)果數(shù)量相當(dāng)?shù)挠钪妗B同進(jìn)行測量的儀器、人以及其他一切，在每個宇宙中都有其副本。這個解釋被稱為“多世界解釋”。

宇宙和我們自己以這種方式增殖，這在科學(xué)上既不能證實(shí)，也不能證偽，所以在某種程度上是一個哲學(xué)或玄學(xué)問題。但對于 “多世界解釋”的擁躉來說，這是一門嚴(yán)肅的科學(xué)。牛津大學(xué)的大衛(wèi)·多伊奇是最忠實(shí)的擁護(hù)者之一，他曾經(jīng)在一次紀(jì)念埃弗雷特的會議上，以這樣的發(fā)言開頭“我要從一個簡單的事實(shí)開始：在這間房子里，在附近的一些宇宙中，休·埃弗雷特和我們在一起，也在慶祝?！笔聦?shí)上，埃弗雷特在1982年就去世了，年僅51歲，他死于暴飲暴食、酗酒和無節(jié)制的吸煙——至少在多重宇宙我們現(xiàn)在所在的這個分支宇宙中，他已經(jīng)死了。

這個“多世界解釋”意味著，在宏觀的經(jīng)典世界中，如果我們把我們的命運(yùn)或面臨的選擇——比如此刻，要蛋糕還是餡餅？——“捆綁”到量子世界正在讓宇宙分裂的測量上去，我們就可以確保所有結(jié)果都能在多重宇宙的某個宇宙中發(fā)生。這意味著，無論我們做什么選擇，所有可能性中最好的也罷，最壞的也罷，都會成為一種現(xiàn)實(shí)，只是在不同分支的宇宙中實(shí)現(xiàn)而已。這些宇宙在分裂的那一刻，唯一不同點(diǎn)在于選擇了不同的可能性，其他方面則完全一樣（比如，一個宇宙中的“你”選擇了蛋糕，另一個宇宙中的“你”選擇了餡餅，至于你本人、你家人、北京、上海……在兩個宇宙中那是完全一樣的）。就是這就是“宇宙分裂器”app聲稱要做的。

不同能量的電子在氫原子中運(yùn)動的波函數(shù)圖。亮度代表在該點(diǎn)發(fā)現(xiàn)電子的概率。不同能量的電子在氫原子中運(yùn)動的波函數(shù)圖。亮度代表在該點(diǎn)發(fā)現(xiàn)電子的概率。

根據(jù)這款app開發(fā)商的宣傳，在“宇宙分裂器”app中輸入你要做出選擇的兩個可能結(jié)果，然后按下按鈕之后，它將連接到瑞士日內(nèi)瓦一家實(shí)驗(yàn)室的一個量子器件上。該器件向部分鍍銀的鏡子發(fā)射單個光子。光子遇到鏡子有兩種可能：50%的概率反彈回來;50%的概率透過去。按“多世界解釋”，當(dāng)光子遇到鏡子，宇宙就分裂成了兩個：如果在我們這個世界，該光子反彈回來，被你用探測器探測到了，那么在另一個世界，該光子則透過去了，等待著探測反彈光子的探測器，將一無所獲。

如果該實(shí)驗(yàn)裝置測量到了反彈光子，而光子“反彈”對應(yīng)“蛋糕”的選擇，那么app就告訴你應(yīng)該選擇蛋糕。

“多世界解釋”面臨的困境

上面介紹的“宇宙分裂器”app多少像個噱頭，我們暫且撇開不管?，F(xiàn)在談?wù)劺_著“多世界解釋”的一個問題。

前面提到，在“多世界解釋”中，量子測量的每一個可能結(jié)果都將以100%的確定性發(fā)生。但我們最早不是說，薛定諤波函數(shù)中包含有各種可能結(jié)果的概率信息嗎？那么，那些概率究竟意味著什么呢？

這是埃弗雷特“多世界解釋”思想的最大絆腳石：因?yàn)榧热凰锌赡苄远寄?00%確定地發(fā)生，那你得解釋為什么量子力學(xué)看起來是由概率統(tǒng)治的。

為了讓你明了，這里不妨舉個例子。比如說一個光子遇到半鍍銀的鏡子，一種情況是“反彈回來的概率是20%，透射過去的概率是80%”;另一種情況是“反彈回來的概率是70%，透射過去的概率是30%”。這在我們看來，顯然是兩種不同的情況。但是，按埃弗雷特的“多世界解釋”，不管光子反彈或透射的概率是多少，反彈和透射都將以100%的概率完全確定地發(fā)生。那這樣一來，上述兩種有著不同反彈（或透射）概率的情況，就沒有任何區(qū)別了。

提出“多世界解釋”休·埃弗雷特

以色列特拉維夫大學(xué)的物理學(xué)家列夫·瓦德曼提出一種辦法來克服涉及“多世界解釋”的概率問題。他的解釋被稱為“自我定位的不確定性”。他用一個思維實(shí)驗(yàn)來說明這一點(diǎn)。

想象一下，你吞服下一片安眠藥，睡在一間放有一只保險(xiǎn)箱的房間里。睡前你就知道，當(dāng)你睡著之后，其他人會做一個量子實(shí)驗(yàn)——比如說，對著半鍍銀的鏡子發(fā)射一個光子——并根據(jù)結(jié)果決定，要么在保險(xiǎn)箱里放100萬美元，要么什么都不放。根據(jù)“多世界解釋”，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，宇宙分裂成兩個：在一個宇宙里，保險(xiǎn)箱里放了100萬美元;在另一個宇宙，保險(xiǎn)箱里空空如也。當(dāng)然，睡著的你也分裂成了兩個。如果你是全知全能的上帝，置身在這兩個分裂的宇宙之外，哪個宇宙中的保險(xiǎn)箱里藏有100萬美元，當(dāng)然是一目了然的。但問題是，你不是上帝，你只能出現(xiàn)在兩個分支宇宙中的一個。所以，當(dāng)你醒來時(shí)，你并不知道自己處于分裂后的哪個宇宙。所以，你為了知道保險(xiǎn)箱里的情況，不得不去猜測。比如說，有50%的概率，保險(xiǎn)箱里放了100萬美元;有50%的概率，保險(xiǎn)箱里一分錢都沒有。于是在“多世界解釋”的劇情中，概率就出現(xiàn)了。這里之所以出現(xiàn)概率，是因?yàn)樵谟钪娣至阎螅覀儫o法確定自己出現(xiàn)在多重宇宙的哪一個分支。

不知上述解釋讓你信服沒有？如果你沒想明白也不要緊，因?yàn)楹芏嗬碚摷乙哺阋粯酉氩幻靼?。你越想，你會感覺這個問題越深奧、越頭疼。比如，你還可以繼續(xù)追問：當(dāng)宇宙分裂時(shí)，“我”意味著什么？在上面那個思維實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)入睡眠的“我”和醒來的“我”是一樣嗎？還有，在量子力學(xué)的傳統(tǒng)觀點(diǎn)中，測量是塑造現(xiàn)實(shí)（迫使波函數(shù)坍縮，讓其結(jié)束各種可能性的混合狀態(tài)，選擇一種確定的結(jié)果呈現(xiàn)）的一種手段，而在“多世界解釋”中，測量似乎是我們用來分裂宇宙的手段。兩種解釋同樣都那么玄乎，我們該選擇信哪一個呢？在這個問題上，難道我們也要按一下“宇宙分裂器”來做決定嗎？