真的存在“平行宇宙”嗎？（上）

作者：魯超

文章來(lái)源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

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說(shuō)到“平行宇宙”，科幻迷、影視迷都會(huì)腦洞大開(kāi)：在我們生活的宇宙之外，還有其他宇宙存在，那邊還有一個(gè)“我” ……

然而， 讓人吃驚的是，“平行宇宙”這個(gè)概念真不是作家的異想天開(kāi)，而是科學(xué)家提出來(lái)的。只不過(guò)，科學(xué)家眼中的“平行宇宙”并不是“還有一個(gè)我”那么簡(jiǎn)單，他們叫它“多宇宙”。

（圖片來(lái)源：鳳凰網(wǎng)）

第一個(gè)提出多宇宙說(shuō)法的 居然是他

若論人類歷史上最最精彩的辯論，非愛(ài)因斯坦和玻爾的“世紀(jì)論戰(zhàn)”莫屬。

1927年，第五屆“索爾維會(huì)議”在比利時(shí)布魯塞爾召開(kāi)，這次的主題是“電子和光子”。除了索末菲和約爾當(dāng)?shù)壬贁?shù)科學(xué)家，世界上最有名的科學(xué)家悉數(shù)到場(chǎng)，留下了那張?zhí)柗Q凝聚了人類一半智慧的“物理學(xué)全明星夢(mèng)之隊(duì)”世紀(jì)照片。

這是人類科學(xué)史，甚至人類歷史上最珍貴的一張照片，沒(méi)有之一，有人說(shuō)這張照片集中了當(dāng)時(shí)一半以上的人類智慧。（圖片來(lái)源：wiki）

前四天波瀾不驚，愛(ài)因斯坦一直沒(méi)說(shuō)話，即使第三天玻爾、玻恩、海森堡“三英戰(zhàn)呂布”齊懟薛定諤，愛(ài)因斯坦依然穩(wěn)如泰山。到了第五天下午，大神們開(kāi)始上臺(tái)做總結(jié)陳詞。洛倫茲點(diǎn)名讓玻爾發(fā)言，玻爾重申了他的“哥本哈根解釋”：在測(cè)量電子的位置之前，討論電子在哪里沒(méi)有意義。也就是說(shuō)，這個(gè)物理世界并沒(méi)有什么“客觀現(xiàn)實(shí)性”，物理學(xué)家去討論“本質(zhì)”是無(wú)聊之舉。

看看吧，因?yàn)榱孔恿W(xué)的出現(xiàn)，在原本穩(wěn)定而實(shí)在的時(shí)空里蕩起了一陣微妙的漣漪，世界變得模糊而不確定起來(lái)。

（圖片來(lái)源：google）

一直在臺(tái)下堅(jiān)如磐石的愛(ài)因斯坦終于坐不住了：“什么？哥本哈根學(xué)派簡(jiǎn)直是一群神棍！物理學(xué)家就是要去深究萬(wàn)物之理，不去討論世界的本質(zhì)，那還研究什么？”

他大步走上講臺(tái)，在黑板上畫(huà)了一個(gè)電子穿過(guò)小孔在屏幕上得到衍射圖像。按照“哥本哈根解釋”：電子穿過(guò)小孔后，沖向屏幕的是一團(tuán)概率波，屏幕任何一點(diǎn)都可能成為它的落腳點(diǎn)，觀察后發(fā)現(xiàn)電子落在A點(diǎn)，這就是“波函數(shù)坍縮”！問(wèn)題來(lái)了，屏幕上其他點(diǎn)竟然要同時(shí)對(duì)電子的觀測(cè)做出反應(yīng)，這似乎暗示了一種超距作用，也就違背了相對(duì)論里的“光速不變?cè)怼保?/p>

哥本哈根解釋：測(cè)量后，概率波函數(shù)坍縮（collapse）成具體位置。愛(ài)因斯坦：處處瞬間坍縮？超光速了?。▓D片來(lái)源：wiki）

這場(chǎng)世紀(jì)論戰(zhàn)由此展開(kāi)。篤信因果律的愛(ài)因斯坦認(rèn)為：“上帝不會(huì)擲骰子！”而玻爾的哲學(xué)是：“你不要指揮上帝怎么做。物理學(xué)的任務(wù)，不是要找出自然是什么，而是對(duì)于自然，我們能說(shuō)什么?！?/p>

愛(ài)因斯坦：上帝不玩骰子。玻爾：別指揮上帝怎么做。（圖片來(lái)源：google）

在眾多相信實(shí)證的物理學(xué)家眼里，玻爾的哥本哈根解釋才是科學(xué)的態(tài)度，而當(dāng)年物理學(xué)界最反叛最具革命性的愛(ài)因斯坦這次竟然站到了新生的量子力學(xué)的對(duì)立面上，成為了守舊的代名詞。艾倫菲斯特甚至氣憤的說(shuō)：“愛(ài)因斯坦，我為你感到臉紅！你把自己放到了那些徒勞推翻相對(duì)論的人一樣的位置上了！”

在這之后的幾年里，愛(ài)因斯坦卷土重來(lái)，用“光箱實(shí)驗(yàn)”和“EPR佯謬”輪番向玻爾施壓，均被玻爾一一化解。（當(dāng)然愛(ài)因斯坦并不認(rèn)為自己在“EPR佯謬”上輸了，這個(gè)梗一直到50年后才真正得到解決，這是后話。）

眼看愛(ài)因斯坦即將敗走麥城，薛定諤挺身而出，他寫(xiě)信給愛(ài)因斯坦，信中構(gòu)想了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：

一只貓被關(guān)在一個(gè)密閉的盒子里，貓的生死取決于一個(gè)放射性原子的狀態(tài)，在一定時(shí)間內(nèi)，這個(gè)原子有50%的幾率衰變，衰變反應(yīng)會(huì)被蓋革計(jì)數(shù)器觀測(cè)到，并通過(guò)繼電器釋放一個(gè)錘子擊碎一小瓶氫氰酸，這只貓就會(huì)死亡。

按照哥本哈根解釋，量子系統(tǒng)在被觀察之前一直處于疊加狀態(tài)，那么這只貓?jiān)诖蜷_(kāi)盒子之前，是處于一種“既死又活”的狀態(tài)。如此超越凡人日常經(jīng)驗(yàn)的思想實(shí)驗(yàn)，被后人稱為“薛定諤的貓”，位列物理學(xué)四大神獸！

“薛定諤的貓”（圖片來(lái)源：wiki）

“薛定諤的貓”之所以影響深遠(yuǎn)，在于薛大神用他那超人的智慧將微觀的量子效應(yīng)放大到了我們的日常世界。如果哥本哈根學(xué)派繼續(xù)嘴硬，他們就不得不硬著頭皮 承認(rèn)：“確實(shí)如此，沒(méi)打開(kāi)盒子之前，那只貓確實(shí)是‘既死又活’的！”

愛(ài)因斯坦收到薛定諤的信后大喜過(guò)望，他在回信中說(shuō)：“如果只有一個(gè)人是誠(chéng)實(shí)的，那個(gè)人就是你（除了勞厄），因?yàn)槟阒罒o(wú)法回避現(xiàn)實(shí)。其他人根本不知道他們?cè)谕媸裁疵半U(xiǎn)游戲，（他們必須明白），現(xiàn)實(shí)是要建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上！”

在這之后，愛(ài)因斯坦更是如此嘲諷哥本哈根學(xué)派：“難道這意味著，我不看月亮的時(shí)候，月亮就不存在？”

愛(ài)因斯坦：我真的說(shuō)過(guò)這句話。（圖片來(lái)源：google）

哥本哈根學(xué)派科學(xué)家們似乎遇到了最大的危機(jī)，薛定諤用一只貓把他們推到了風(fēng)口浪尖上，而同時(shí)對(duì)量子力學(xué)的研究也不僅僅局限于微觀世界的物理意義，更是上升到了宏觀世界的日?，F(xiàn)象，甚至被推上了哲學(xué)高度。

中國(guó)大哲人王陽(yáng)明說(shuō)過(guò)與愛(ài)因斯坦類似的話：“汝未看此花時(shí)，此花與汝心同歸于寂？”而貝克萊大主教也說(shuō)過(guò)“存在即是被感知”。過(guò)去，科學(xué)家們只把這當(dāng)成哲學(xué)上的唯心夢(mèng)囈，科學(xué)研究的應(yīng)該是 “可實(shí)證”的現(xiàn)實(shí)世界。而如今，按照哥本哈根解釋，我們的宇宙該是如何，竟然取決于我們的觀測(cè)，難道我們竟然處于一個(gè)“唯心”的世界？

王陽(yáng)明：我也真的說(shuō)過(guò)這話。（圖片來(lái)源：google）

“薛定諤的貓”這個(gè)梗當(dāng)然逃脫不了科幻作家的視野，比如劉慈欣的《球形閃電》中：球形閃電竟然是比我們世界更高一層“宏世界”里的宏電子，它之所以飄忽不定可以穿墻而入，就因?yàn)樗牧孔有?yīng)。人、動(dòng)物和其他物體被球形閃電擊中，表面上變成一攤灰燼，實(shí)際上是變成了量子疊加態(tài)，彌散在空間中。偶爾他們還是會(huì)存在于我們的世界，但只要一觀察，他們就立馬消失了，這似乎就是“鬼魂”。

薛定諤一直想跟玻爾當(dāng)面交流貓的問(wèn)題，可惜的是，二戰(zhàn)爆發(fā)了，薛定諤被迫輾轉(zhuǎn)到愛(ài)爾蘭，在這里他寫(xiě)下了《生命是什么》。1952年，他在都柏林做了一次演講，談到了他的貓，他開(kāi)玩笑地警告他的聽(tīng)眾，他將要說(shuō)的話可能“看起來(lái)很瘋狂”。按照他的說(shuō)法，“薛定諤方程”所描述的似乎是幾個(gè)不同的歷史，它們“是同時(shí)發(fā)生的”。

原來(lái)，是薛大神第一個(gè)提出了“多世界”的設(shè)想。

薛定諤在都柏林另一次演講的照片，他正在講解生命的實(shí)質(zhì)（圖片來(lái)源：google）

多宇宙之父——艾弗雷特三世

薛定諤在都柏林的演講后第二年，一個(gè)化學(xué)系本科畢業(yè)的小伙子進(jìn)入普林斯頓大學(xué)數(shù)學(xué)系，研究軍事博弈學(xué)。很快他又對(duì)理論物理產(chǎn)生了興趣，一邊跟著魏格納（1963年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)物理方法，一邊完成了軍事博弈學(xué)論文，取得了碩士學(xué)位。到了博士期間，他終于找到了自己的興趣，于是他投身惠勒門(mén)下研究量子力學(xué)基本原理。

他的同學(xué)如此評(píng)價(jià)他：“他太聰明了！從化學(xué)工程到數(shù)學(xué)，再到物理，其實(shí)他整天都在看科幻小說(shuō)。我想說(shuō)，這就是天賦?！边@個(gè)天賦異稟的小伙子叫做休·艾弗雷特，由于他的父親和祖父也起了相同的名字：休，所以我們也可以叫他“艾弗雷特三世”。

（圖片來(lái)源：wiki）

艾弗雷特在1956年將他博士期間的研究匯編成一篇長(zhǎng)論文《沒(méi)有概率的波動(dòng)力學(xué)》(Wave Mechanics Without Probability)，他在文中提出一個(gè)革命性的觀點(diǎn)，認(rèn)為 “波函數(shù)坍塌”這個(gè)違背直覺(jué)的設(shè)定就應(yīng)該被“奧卡姆剃刀”砍掉，還不如承認(rèn)波函數(shù)的客觀存在。之所以會(huì)遇到“薛定諤的貓”這種悖論，那是因?yàn)檫@時(shí)“分裂”成多個(gè)宇宙，在某些宇宙里面貓死了，某些宇宙里面貓還活著。這兩個(gè)宇宙“分裂”之后（請(qǐng)注意這里的用詞：“分裂”），彼此孤立，再也沒(méi)有交集，可以認(rèn)為它們彼此“平行”，因此艾弗雷特的“多宇宙”也被稱為“平行宇宙”。在其他一些地方，也有過(guò)“多重宇宙”的說(shuō)法，它們都是一個(gè)意思。

貓死貓活的問(wèn)題被艾弗雷特用多宇宙來(lái)解釋了（圖片來(lái)源：wiki）

有了“多宇宙”，量子力學(xué)里最最神秘的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)就容易解釋了。

雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，在每一本中學(xué)物理教科書(shū)上都可以找得到，托馬斯楊用這個(gè)著名實(shí)驗(yàn)證明了光的波動(dòng)性。但是量子力學(xué)發(fā)展起來(lái)以后，有人想，如果用電子（或光子）一個(gè)個(gè)通過(guò)雙縫，還會(huì)產(chǎn)生干涉條紋嗎？說(shuō)電子是波，當(dāng)然應(yīng)該產(chǎn)生干涉條紋啊，但電子明明是一個(gè)個(gè)通過(guò)的，難道它自己和自己干涉了嗎？說(shuō)電子是粒子，那這個(gè)電子究竟走了哪條縫呢？

實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家說(shuō)：不要吵，做個(gè)實(shí)驗(yàn)。

隨著實(shí)驗(yàn)手段的進(jìn)步，還真有人做出了這樣的實(shí)驗(yàn)，比如日本科學(xué)家外村彰給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖案，如下圖，分別為11個(gè)、200個(gè)、6000個(gè)、40000個(gè)和140000個(gè)電子打在屏幕上出現(xiàn)的光點(diǎn)，可看出，隨著電子數(shù)越來(lái)越多，屏幕上逐漸出現(xiàn)了明暗條紋。

單電子干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖片來(lái)源：wiki）

單電子也能產(chǎn)生雙縫干涉條紋，似乎已無(wú)爭(zhēng)論，但電子究竟走的是哪條縫呢？按照艾弗雷特的多宇宙理論就簡(jiǎn)單多了，根本就不需要“波函數(shù)坍縮”這個(gè)假設(shè)，就記住一點(diǎn)，在某些宇宙里面，電子走左縫，而另一些宇宙里面，電子走右縫。

艾弗雷特用一個(gè)多宇宙的設(shè)定，一下子完美的解釋了很多量子現(xiàn)象，比如EPR佯謬、馮諾依曼的邊界問(wèn)題甚至波粒二象性，都一目了然了。更重要的是，量子力學(xué)終于擺脫了“觀察者”這個(gè)空中樓閣，雖然多了很多宇宙，但終于回歸了現(xiàn)實(shí)世界，很多人心里踏實(shí)多了，長(zhǎng)舒了一口氣。

艾弗雷特三世：多世界理論是唯一能夠完全一致的解釋量子力學(xué)和世界現(xiàn)實(shí)的的方法。（圖片來(lái)源：google）

1959年，艾弗雷特滿懷憧憬來(lái)到哥本哈根面見(jiàn)玻爾。誰(shuí)能想到，這竟然成了一次“災(zāi)難性”的拜訪，對(duì)于量子力學(xué)的老學(xué)究們來(lái)說(shuō)，“多宇宙”已經(jīng)不止是離經(jīng)叛道，而簡(jiǎn)直是異端邪說(shuō)了！事后，玻爾的追隨者萊昂?羅森菲爾德（Leon Rosenfeld）說(shuō)，艾弗雷特“愚蠢得難以形容，連量子力學(xué)中最簡(jiǎn)單的東西都無(wú)法理解?！?而艾弗雷特自己回憶起這個(gè)故事也說(shuō)到：“（這次訪談）從一開(kāi)始就注定是地獄……”

后來(lái)的另一次會(huì)面，玻爾（左三）和艾弗雷特三世（右二）在普林斯頓大學(xué)。（圖片來(lái)源：google）

這次會(huì)晤讓艾弗雷特心灰意冷，他離開(kāi)了科學(xué)界，進(jìn)入美國(guó)國(guó)防部，成為軍事專家。后來(lái)又出來(lái)創(chuàng)業(yè)，竟然很快成了百萬(wàn)富翁。而他的“多宇宙”卻幾乎被丟進(jìn)垃圾桶里，幾乎無(wú)人問(wèn)津。

到了1970年，德威特才發(fā)現(xiàn)了艾弗雷特塵封已久的驚人設(shè)想，一下子獲得了全世界的矚目！這是后話。

艾弗雷特在物理學(xué)界以外的幸福生活。（圖片來(lái)源：google）

艾弗雷特在上世紀(jì)70年代末曾想過(guò)重返物理學(xué)界，1977年應(yīng)惠勒的邀請(qǐng)，他來(lái)到得克薩斯州奧斯汀做了一次演講，很受歡迎，而艾弗雷特也見(jiàn)到了多年來(lái)一直幫自己理論做推廣的德威特，以及后來(lái)一直幫多宇宙理論站臺(tái)的惠勒的學(xué)生——多伊奇?；堇找矞?zhǔn)備在加州為艾弗雷特建造一個(gè)研究所，但他自己卻始終與多宇宙理論保持距離。后來(lái)艾弗雷特終究沒(méi)能回到物理學(xué)界的中心，一直保持著“世外高人”的姿態(tài)，他自己仍然對(duì)他的孩子——“多宇宙”充滿信心：“我必將因多宇宙理論而（在物理學(xué)史上）留名！”

1981年，艾弗雷特因?yàn)樾呐K病去世，他的兒子后來(lái)回憶道：“艾弗雷特對(duì)多宇宙理論從未動(dòng)搖過(guò)信念！”

多宇宙理論是條噴火龍？

“多宇宙”理論最為吸引人的是，它拋棄了“觀察者”的特殊地位，每一個(gè)宇宙都是客觀的歷史和演化。諸如費(fèi)曼、溫伯格、霍金、蓋爾曼等大牛，都曾經(jīng)表示自己支持多宇宙的觀點(diǎn)?；艚痣m然曾經(jīng)常開(kāi)玩笑：“一聽(tīng)到薛定諤的貓，就想去拿槍”，但卻多次表示，多宇宙“顯然是正確的”。

蓋爾曼：艾弗雷特的作品（多宇宙）被很多人描述為不同的世界，他認(rèn)為每一個(gè)不同的歷史，分支的歷史，都被賦予了某種現(xiàn)實(shí)。（圖片來(lái)源：google）

也有不少大科學(xué)家旗幟鮮明的反對(duì)，比如貝爾、彭羅斯、斯特恩等。最為典型的反對(duì)原因是，為了一個(gè)電子，竟然如此興師動(dòng)眾，引入這么多宇宙？這也太“殺雞用牛刀”了吧？更何況，多出來(lái)這么多宇宙，能量守恒在哪里呢？

多出來(lái)這么多宇宙，能量守恒往哪里放？（圖片來(lái)源：google）

普林斯頓大學(xué)教授保羅·斯坦哈特有句著名的論斷：“如果一個(gè)理論能提供所有可能的結(jié)果，那么任何實(shí)驗(yàn)都不能排除這個(gè)理論。”

與之類似，著名宇宙學(xué)家、科普作家卡爾·薩根有一個(gè)“車庫(kù)里的噴火龍”的段子：有人跟你說(shuō)你家車庫(kù)里有只噴火龍，但是它既看不見(jiàn)，也摸不著，用各種物理探測(cè)方法都無(wú)法檢測(cè)得到，也對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何影響，它是一個(gè)永遠(yuǎn)無(wú)法推翻的命題。

科學(xué)哲學(xué)家波普爾曾經(jīng)提出過(guò)一個(gè)非常重要的問(wèn)題，也是現(xiàn)在科學(xué)界公認(rèn)的一條黃金定律——一個(gè)學(xué)說(shuō)只有具備可證偽性才應(yīng)該被肯定。

難道多宇宙理論注定是一只無(wú)法被檢測(cè)到的“噴火龍”嗎？

喂，你家車庫(kù)有條噴火龍?。▓D片來(lái)源：google）

（未完待續(xù)）