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多世界理论,外星探索网独家整理长篇硬派科学...


2015/6/19  编辑:admin 来源:本站整理 

2011年7月,在奥地利宁静的特劳恩湖畔召开的一次会议中,主办方进行了一次问卷调查,要求参会者就会议的主题进行表决。你或许觉得这个问题应该早在会议之前就搞定,但是因为会议的大主题是量子理论,所以多了一定程度的不确定性。会议名称为“量子物理与现实的本质”。参与问卷表决的是3 3名与会的物理学家、数学家和哲学家。此次表决引发了一系列关于二者之间关系的悬而未决的问题,其中之一是:你最喜欢的量子力学解释是什么?

“最喜欢”这个词意味深长。科学不是只取决于实验和观察,而与个人喜好无关的吗?但是,长久以来,量子物理实验就其本身的意义顽固地沉默着,我们所能做的,就是不断发挥预感和直觉的力量。当然,还要珍惜每个奇思妙想。问卷只提供了11个选项,包括“其他”和“无”在内。

最受欢迎(占问卷的42%)的理论是尼尔斯·玻尔、维尔纳·海森堡与他们的同事在量子理论早期提出的哥本哈根解释。其他的选项你可能都没听说过,比如量子贝叶斯模型理论、坍缩理论等。或许,你可能连哥本哈根解释也没有听说过。排名第三(占1 8%)的是多世界理论解释(MWI),我希望你对此能有所耳闻,因为多世界理论是目前最有魅力和最受欢迎的一种理论。该理论认为,每个人都有多重自我,生活在不同的宇宙层面,很可能过着一种我们曾梦想但无法实现(或不敢实现)的生活。谁能招架住这种想法的诱惑呢?

然而,我们需要抗拒这种诱惑,因为多世界很可能并不真实存在、没有人能够对此进行证实,甚至这个观点可能根本不是真正的科学。这些指责都是有理有据的,但我们抗拒的理由是,该理论无论在哲学上还是逻辑上都是不连贯的。没有比沃尔夫冈·泡利的话更有力的反驳了:它甚至连错误都配不上。

但是,还是有如此多的拥趸骄傲地追随着它。这是为什么呢?为了理解这一点,我们首先需要明白,为什么在量子力学诞生1 0 0多年后的今天,科学家还聚集在一起讨论它的意义。

尽管基础不牢,量子力学还是取得了巨大成功。事实上,你很难找到一个比它更成功的理论了。它能以惊人的精确度预言各种现象,包括穿过不同透明度的玻璃看到的草地和天空的颜色、酶的工作原理以及太阳是如何发光的。

这是因为它在很大程度上是一种技术:用一系列程序计算在组成物质的亚原子粒子的位置和能量不同的条件下,物质具有什么样的属性。计算异常复杂。对任何比氢原子复杂的事物,我们都需要用到简化和取近似值这两种方法。这种做法非常可靠。因此,今天绝大多数运用量子理论的物理学家、化学家和工程师不用再舟车劳顿地去参加会议讨论现实的本质了。就像物理学家戴维·默明所说,他们可以很好地开展工作,需要做的就是“闭上嘴巴,开始计算”。

但是,方程式似乎在强调一些奇怪的东西。这些方程式指出,极其微小的实体,比如原子和亚原子粒子,可以同时出现在不同的位置。一个电子似乎可以同时穿过两个孔,并像波一样干扰自己的运动。而且,我们也无法悉知一个粒子的方方面面:海森堡的不确定性原理不允许出现这样完美的知识。而且,两个粒子可以穿越广袤无垠的宇宙相互影响,似乎(实际上并非如此)有违爱因斯坦的狭义相对论。

在我们进行观察之前,一切都只是可能。而当我们打开盒子后,所有的可能性都让位于单一的真实。

对此,大多数量子科学家只能接受,而不再继续争论。真正使意见产生分歧的是这样一个事实,即这一理论似乎与我们可以“从外部研究”的客观真实无关。这一观点从一开始就占据了科学的中心位置,然而量子力学却坚持认为,我们没法在不影响测量物的前提下测量某个物体。这并不是灵敏度的问题,还要比这基础得多,稍后我会对此进行解释。

最广为应用的量子数学方程是由薛定谔在2 0世纪2 0年代提出的。该方程引入了一个抽象的概念,即波函数。波函数能表现量子对象——比如粒子——的所有信息。虽然无法表现对象的属性,但波函数能统计出该对象所有可能的属性以及它们的相对概率。这些可能中,哪个是真实的?这里的电子还是那里的电子?我们可以通过观察得出答案。那么问题来了:量子力学似乎正在告诉我们,正是因为观察——以及测量——才迫使宇宙随机做出决定。在我们观察之前,存在的只是随机性。当我们打开盒子(此处的“盒子”指薛定谔著名的思想实验中装有一只猫、一个装有氢化氰气体的玻璃烧瓶和一个放射性原子核的封闭盒子——译者注),这些随机性就让位于单一的、确定的真实:即一种被称作波函数坍缩的现象。事实上,波函数坍缩并不是理论的一部分,它只能手动介入,这也是让人最不满意的一点。

于是,我们开始面对所谓的测量问题,即方程式模糊的随机性与我们可以实际测量而得出的事实之间究竟发生了什么。

以下就是特劳恩湖会议上问卷调查的选项单。占主导地位的哥本哈根解释只能无奈地接受波函数坍缩作为附加理论,虽然无法理解,但目前似乎也只有凑合着用了。另一种观点认为,从可能到真实的转变并不是耍了个数学花招,事实上这是一个具体的物理过程,有点类似原子的放射性衰变。这就是客观坍缩的解释,罗杰·彭罗斯是该理论的提倡者之一,他怀疑该理论可能还会涉及引力。

接下来就是多世界选项了。尽管支持者中有斯蒂芬·霍金和诺贝尔奖获得者弗兰克·维尔切克等重量级人物,但奇怪的是,它的支持者都不愿承认自己最喜欢的理论一定是最好的。对他们来说,多世界理论是唯一严肃对待量子理论的方法,就像维尔切克所说,“这点应该是毫无争议的”(实际并非如此)。

这个想法最早出现在美国物理学家休·埃弗雷特的博士论文中。他认为,没必要纠结于波函数坍缩的复杂本质。如果坍缩只是个假象,波函数声称的所有可能性都具有物理真实性呢?或许,进行测量时我们看到的只是这种多真实中的一个,但其他真实也是单独存在的。

存在于哪里? 这时候就用到多世界理论了。埃弗雷特本人从未用过这个名称,但在2 0世纪7 0年代,物理学家布莱斯·德威特开始公开拥护埃弗雷特的提议,声称实验的另一个成果必须存在于一个平行的现实——另一个世界。当你测量一个电子的运动路径时,在这个世界它似乎往东,但在另一个世界它可能往西。

这就要求电子穿过一个平行的、完全相同的实验设备,而且,还需要一个“平行的你”来测量它。这个过程一旦开始就永无止境:你需要在那个电子周围建造整个平行宇宙,这个虚拟宇宙与真实宇宙一模一样,只是电子的运动方向不同。这个方法绕开了波函数坍缩的问题,付出的代价却是建造一个新的宇宙。

当你了解什么是测量的时候,你就知道这个画面有多奢侈了。有观点认为,一个量子实体与另一个量子实体之间的任何相互作用——比如一个光子碰到原子反跳回来——都能产生额外的效果,因此需要平行宇宙的存在。正如德威特所说,“量子转换现象存在于每颗恒星,每个星系,以及宇宙的各个角落,这种转换将地球上的世界分裂为无数个相同的版本”。记住一点,之所以存在如此多的版本,是因为我们还无法了解波函数坍缩。这只是绕开烦琐的数学来解决狭缝问题的一种手段。“如果你喜欢简单而纯粹的数学理论,那么你有可能跟我一样对多世界理论感到困惑。”该理论最杰出的推广者——麻省理工学院的马克斯·特各马克如是说。

如此一来,人们便比较容易接受“要达到数学式的简单并不轻松”这个事实了。埃弗雷特的推论是,整个宇宙实际上只有一种波函数,“简单的数学”只是用符号来表示这一普遍波函数而已。这个符号就是Ψ,据称是对现在及过往所有已知和未知事物的完整描述。奇怪的是,多世界理论避开了到底是“测量”或“实验”中的哪个步骤将Ψ 分裂为多世界的问题。

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换句话说,你只需扩展思路,超越头脑中关于“我”的狭隘理解。

平行世界到底是什么样子的?特各马克认为,在多世界观点中的多元宇宙论下,“所有可能的状态都存在于同一瞬间”。这句话有点让人摸不着头脑,因为我们可以这样理解,即所有状态都可由某些初始状态进化而来,或者也可以这样理解,即所有粒子可以任意想象的方式排列。但是,无论哪种理解,都有说不通的地方。看吧,多世界理论对我们来说确实有些极端影响。

特各马克认为,“做出决定的行为”的“决定”是与实验或测量相互影响的决定,“导致个人分裂为多个版本”。多世界理论的另一位杰出支持者布莱恩·格林不乏幽默地说:“每一个版本都是你。”换句话说,你只需扩展思路,超越头脑中关于“我”的狭隘理解。每个个体都具有自我意识,因此每个他或她都认为自己是“你”,但真正的“你”是他们的总和。这意味着格林和特各马克根本就不支持多世界理论,只是某个版本的“他”(或者多个版本的“他”)支持多世界理论。“听我说,绝不是他们!”特各马克或许会这样回答。但这不正是他们所说的吗?

俄罗斯籍以色列裔物理学家列夫·威德曼是多世界支持者中为数不多的对这一问题进行了更为仔细的思考的学者。“‘我’的定义是指在特定时间下对身体状态和思想状态的完整(经典)描述。”威德曼解释道,“此刻,有多个‘列夫’存在于不同的世界,但不能说现在还有另外一个‘我’存在。”这或许可以拯救他在面对其他“列夫”所做的一切邪恶(也许有些并不邪恶)行径时的道德自律。

但是,我觉得,从科学和逻辑上说,也不能认为列夫的定义中包含一个“我”,因为我们必须承认每个“我”生成副本的速度远快于思考的速度。从这一点来说,永远不可能存在对列夫身体和思想状态的“完整描述”。现在,花费时间用手敲字的是“我”而不是波函数的坍缩。

困难还远不止于此。多世界理论的拥趸对这一理论的迷恋程度着实让人吃惊,似乎所有世界中都包含他们的影印版本,在过着全然不同的生活。然而,这个图像并不是多世界理论的真实表达,只是从中衍生出来的科幻小说的场景。正如特各马克解释的,多世界确实是关于某一具体瞬间的所有可能状态的理论,这些状态中肯定有一模一样的“特各马克们”正在从事或者目睹不同的事件。

大多数多世界理论的推广者都认为他们给我们带来了一次头脑风暴,而事实上,我们并未对此感到诧异。他们对人格影响的钻研恰到好处,止步于几个世纪以来对身份意义的古老探索,使我们满足于这种探索带来的诱人的神秘感。如果对此足够熟悉而且很容易被说服的话,结果真让人有点略带邪恶的兴奋。你也知道,因为某种原因,特各马克并没有费心地将“类特各马克”和一两个基因突变的“特各马克副本”说成是完全不同的物种,更不用说那些个“差别有点大的特各马克”了。他为什么不那么做呢?因为人们无法用本体论利索地对他们进行陈述,也不能像兄弟一般拥抱他们。他们将故事白白糟蹋了,他们这群无赖!他们将此变成了一个毫无意义的故事,甚至无法被讲述,而他们也因此成了阁楼上的疯女人。从表面意义来说,“多重自我”的想法并不是多世界理论提出的,相反,它解构了自我的整个概念——否定了关于“我”的任何实际意义。

在博尔赫斯图书馆,人们似乎并未找到“是你或不是你”、“你做了什么或没做什么”之类的事实。

难道关于自我的美好概念其实是大脑为了让我们发挥作用而炮制的幻觉,与我们一直以来从神经学家和心理学家那里听到的截然不同?我认为是的。基于感官现象测量之上的认知结构虽然实用,却也脆弱不堪,它与声称解决了所有人格和自主问题以使数学变得更为简洁的论调之间存在巨大差距。在博尔赫斯图书馆,人们似乎并未找到“是你或不是你”、“你做了什么或没做什么”之类的事实。

较之以上问题,对多世界理论进行实验证实(如果该理论想被作为严肃科学对待的话,实验证实环节就必不可少)的困难就小多了。多世界理论的另一位支持者,加州理工大学的宇宙学家肖恩·卡罗尔认为,歪曲多世界理论是毫无价值的,只需进行一次违反薛定谔方程或叠加原理的实验就可以。这是多世界理论仅有的两个假设。但是,量子理论的其他解释也做过这类假设,因此,这样一个实验就把其他理论统统排除在外,也没有对多世界理论的特殊地位说明什么。不,我们非常想看到被这个特殊诠释预测的那些其他世界存在的证据。但这正是假设所禁止的,明白了没有?真是讨厌。

难道这仅仅是某种特殊精神状态的习惯?分析哲学中的模态实在论与多世界理论具有异曲同工之妙。自从弗里德·莱布尼茨提出正义与邪恶的问题可以通过假设我们的世界就是所有可能世界中最好的世界而得到解决,“可能世界”的概念为哲学家提供了一个框架。在这个框架里,哲学家可以讨论真理的必要性和偶然性。

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美国哲学家大卫· 刘易斯将这一思路发挥到了极致。他假设所有的可能世界中只有一个具有真实的物理存在,尽管从因果上和时空上来说与我们的世界相隔离。这些世界会对“这个与那个事物是否不同”之类的句子给出明确的答案,比如,尼尔· 阿姆斯特朗有没有可能是一名公交车司机而不是宇航员?面对可能世界,这些句子都被赋予了意义——类似于我们直观感觉上的对错还有替代的可能性。但是,在这个世界,我们看到的只有事实,而不是替代可能性。那么,到底是什么决定了“可能是什么” 这句话的正确性?这听起来很奇怪,却是哲学界一直以来的棘手问题。但是,根据李维斯的理论框架,如果某事物至少存在于一个世界,那么它就是可能的;如果它在任何世界都不存在,那它就是不可能的。真是一个简洁的解决方案。这个方案简洁在它认为其他世界都是真实的。

在这个世界里,神祇、魔术和奇迹并存,也有可能因偶然的统计规律分析发生违背科学的事情。

许多科学家都认为这是一个骗局,并且与量子理论的多世界有着显而易见的共同之处:理论的提出并非源于实验动机,而是为了使事情简化(刘易斯的模态实在论至少还有一个优点,即对个体身份的相关问题进行了详细讨论)。在趋同的智力进化的情况下,特各马克的所谓终极系综理论(Ultimate Ensemble theory,尽管多世界镜像没有明确预见量子原则,但仍涵盖这些原则)认为所有的数学实体原则上都可以被计算(即有可能被“编程”),是真实的。无论如何,两种观念都体现出对宇宙中的随意性的不满意,而且它们都发端于科学家的冲动,因此也产生了关于平行世界的虚构、幻想和对反事实历史理论的沉迷。

这就是我将这些想法视作幻想的原因。这并不是嘲笑或者鄙视它们,而是因为认识到在它们的科学公式或符号逻辑的表征下存在“只是假设” 等想象的因素。但是,如果其走向极端,就会演变成一种虚无主义:如果你相信一切,那么就是什么都不信。多世界理论允许,或是坚持,既存在熟悉的“量子兄弟”,也存在上帝、神祇和魔术共存的世界,同时也会有不可避免的(极少)违反物理学惯常统计规律的反科学概率故障。

当然,世界肯定没有那么怪异。不少人对此类言论不置一词也是因为它能很容易被打发掉。但是多世界理论并不暗示事情比我们想象的要怪异得多。它否决了我们以任何方式陈述任何事情,因为虽然它也需要说(或做)其他的事情,但是同时放弃了说话的主体。这并不需要多广阔的眼界,只是一种对本体不一致性的盲目接受。

因此,多世界理论的支持者拒绝对该理论提出的本体论和自我剖析问题进行深入研究是可悲的。但在一个前物理学家看来,这恰是多数物理学家的盲点:拒绝承认(或许可能是关心)是基本的、抽象的理论层面之上的问题所带来的,应该不仅仅是些许不便。

如果多世界理论能够被一些可信的科学所证实,我们就不得不面对它,并且需要认真测量光子的两种量子态。但事实并非如此,它是以有简化公理倾向的半生不熟的哲学论证为基础的。多世界理论的支持者必须认真考虑其哲学含义,因为我们不清楚他们的同事或者其他人如何反驳科学哲学家罗伯特· 克里斯提出的这一观点:多世界理论是科学史上最令人难以置信和不切实际的想法。它毕竟是一个主张所有事情可以在想象中发生的理论。如果假装其只是一种概念上的挑战, 就会使人联想到1 9 9 8年的电影《推拉门》中的情节——其倡导的强大思想的一个令人费解的空白。也许多世界理论的支持者应该避免告诉我们哲学已死。

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