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人生中第一次,我遇到了一群与我一样沉迷于疯狂物理学问题的朋友。与这些相似的灵魂在一起,我们常通宵达旦地揣测真实世界的终极本质。贾斯汀·本迪斯(Justin Bendich),他那不修边幅的外表总让我想起动画片《史酷比》(Scooby-Doo!)里的夏奇(Shaggy)。他就是一个信息的金矿,对我最古怪的问题也能给出发人深省的答案。比尔·波里尔(Bill Poirier)则沉醉于信息论,我和他一起用炫酷的信息论方法对海森堡不确定性原理进行了改进,这让我们兴奋至极,直到我在图书馆里找到了一篇有关的论文,才发现原来早已经有人做过。和这些有趣的灵魂在一起,我觉得自己我是地球上最幸运的人——我找到了自己真正想做的事情,并且正将全身心地投入其中。
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隐身于希尔伯特空间
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我的新老师也同样善于启发人的灵感。从尤金·康明斯(Engune Commins)那里,我学了更多关于量子力学的知识。他的冷幽默为黑板上满满当当的枯燥公式注入了生命力。有一次,我举起手问道:“这是不是就像把苹果和梨加起来?”这是一个很常见的瑞典比喻。“不,”他回答道,“这就像把苹果和橘子加起来。”
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在尤金为期一年的课程中,他教会了我许多有用的技术工具,但这些工具却无法回答那个焦灼着我内心的量子力学问题。实际上,它甚至无从发问,只留我一个人独自面对。量子力学是自相矛盾的吗?波函数真的会坍缩吗?如果真的会,那是什么时候?如果不会,那为何我们眼里的万物不会同时位于两个地方呢?量子力学里的随机性和概率又从何而来呢?
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我听说,早在1957年,普林斯顿大学的研究生休·埃弗雷特三世曾为此提出过一个激进的答案:平行宇宙。我对个中细节非常好奇,但这个理论却被众人忽略,在课堂上也绝少被提及。尽管我遇到过一些听说过这个理论的人,但却没有人真正读过埃弗雷特那篇与平行宇宙有关的博士论文,这篇论文从此被埋没在一本早已绝版的书里。关于这本书,我们的图书馆里只有一个非常简略的版本,其中对平行宇宙理论只是一笔带过,根本没有讲清楚。终于,1990年11月,我的搜寻迎来了曙光,我总算找到了那本失落已久的书。恰如其分的是,我是在伯克利的一家专门卖激进出版物的书店里找到它的。那家书店里,你还能找到诸如《无政府主义者的食谱》(The Anarchist’s Cookbook)这样的书。
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埃弗雷特的博士论文让我始料不及。犹如醍醐灌顶,我突然间什么都明白了!埃弗雷特也曾为那些困扰着我的问题而心神愁闷。但是,他并没有偃旗息鼓,而是努力推进,探索所有可能的解释,由此发现了非凡的秘密。当你脑子里冒出一个离经叛道的想法时,你很可能会对自己说“这当然是行不通的”,并把它抛到九霄云外。但是,如果你肯再花一点时间,想得更深入一些,问问自己“为什么行不通”,并苦苦追寻一个逻辑严密的答案,那你很可能正在接近某些举足轻重的大事件。
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那么,埃弗雷特的激进想法到底是什么?出人意料的是,它可以用一句非常简单的话来概括:波函数永远不会坍缩,从来都不会。
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也就是说,不管在什么时候,不管有没有观察的动作发生,那个描述我们宇宙的波函数都在发生着明确的变化,永远遵循着薛定谔方程。所以,薛定谔方程毋庸置疑占领了至高无上的地位。这意味着,你可以把埃弗雷特的理论看成“量子力学简化版”,对教科书上讲的知识,你只需要抛弃那些与概率和波函数坍缩有关的假设就好了。
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这让我大为吃惊,因为我之前听说的流言称,埃弗雷特假想出了某些听起来十分疯狂的念头,比如平行宇宙,每当你进行一次观察,我们的宇宙就会分裂成若干个平行宇宙。实际上,一直到今天,我的许多同行们都还以为这就是埃弗雷特的理论。读埃弗雷特的书教会了我两件事,一件是物理学,另一件是社会学。我认识到,亲自去读一读原始资料是多么重要,仅仅依靠二手信息则会让人误入歧途。人们被误解、误传和错误引用的事情不仅发生在政治领域,还发生在其他领域,埃弗雷特的博士论文就是一个绝佳的例子。当时,物理学领域的几乎所有人对它都有自己的看法,但却几乎没有人真正把原文找来读一读[31]。
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我废寝忘食地读着埃弗雷特的书。他的逻辑十分美妙,他根本没有假设出那些听起来疯狂的东西,它们只是随假设而来的结果而已!一开始,它听起来过于简单,仿佛根本行不通。毕竟,尼尔斯·玻尔和他的合作者们都是聪明人,他们并非凭空捏造出波函数坍缩的想法,而是为了用它来解释为何实验看起来有确定的结果。但是埃弗雷特意识到了某些令人惊讶的事情:即使实验并没有确定的结果,它也会看起来好像真的有!
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图7-1展示了我对这个问题的看法。我称这个实验为“量子扑克牌”(Quantum Cards):你拿起一张下边缘极其锐利的扑克牌,把它完美地竖立在桌子上,并赌100美元它倒下时会正面朝上。接着你闭上眼睛,等你听见扑克牌倒下的声音时,才能睁开眼睛查看结果。根据经典物理学,它会永远保持完美的平衡状态[32]。但是根据薛定谔方程,不管你做得多么完美,扑克牌都会在很短的时间内倒下,因为海森堡不确定性原理说,物体不可能保持在同一个地方一动不动(此处指保持竖直状态)。由于初始状态是左右对称的,最终状态也应该如此。这意味着,扑克牌将同时向左右两个方向倒下,处于这两个状态的叠加态。
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图7-1 “量子扑克牌”思想实验:在上午10:00,你将一张扑克牌竖立在桌子上,赌100美元它倒下时会正面朝上,然后闭上眼睛。10秒后,扑克牌处在同时向左和向右倒下的叠加态,所以,波函数描述了扑克牌同时处于两个地方。10秒后,你睁开眼睛,查看扑克牌,此时,波函数描述了你同时处在高兴和沮丧两个状态。尽管依然只存在一个波函数和一个量子实在(在其中,组成你和扑克牌的粒子同时处在两个不同的地方),埃弗雷特意识到,这实际上好像我们的宇宙分裂成了两个平行宇宙(下图),每个平行宇宙中都有着确定的结果。
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当你睁开眼,查看扑克牌时,你就进行了一次观测。那么,根据哥本哈根解释,波函数将在此刻坍缩,你会看见扑克牌要么正面朝上、要么正面朝下,每种结果的概率为50%。于是,你有可能喜笑颜开地拿走100美元,也可能会懊悔自己竟然为这个可恶的物理实验浪费了整整100块钱。根据哥本哈根解释,物理定律无法预测究竟会发生哪种结局,因为它具有内在的随机性。
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然而,埃弗雷特怎么说呢?在埃弗雷特看来,观察并不具备神奇的能力:它只是一个普通的物理过程,和其他过程没什么两样,但它拥有一个特点,即信息传递。在这个例子中,信息从扑克牌传递到了你的大脑。如果波函数让扑克牌正面朝上倒下,你就会很开心,反之亦然。将这些事实与薛定谔方程结合起来,他很容易就计算出了波函数究竟发生了什么事——它会发生改变,变成描述一个叠加态,这个叠加态由两个状态叠加而成,每个状态对应扑克牌和你身上所有粒子的一种配置方式:一个是扑克牌正面朝上然后你很开心,一个是正面朝下所以你很失望。以下是三个关键点:
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●这个实验让你的思维同时处在两种状态。本质上说,这类似薛定谔的猫,只不过把猫换成了你,但是该实验并不会让你像薛定谔的猫一样丧命。
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●这两个思维状态完全意识不到彼此的存在。
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●你的思维状态与扑克牌的状态相连,这样,万事万物都是一致的。(即波函数并不会描述一个“扑克牌正面朝下而你却看见正面朝上”的粒子配置。)
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薛定谔方程将让事物的发展保持连贯一致,这一点很容易证明。比如,你正在做量子扑克牌实验时,你的损友恰好走进房间问你在干什么。此时,所有粒子(包括扑克牌、你和你朋友身上的所有粒子)的状态都被演变成了一个叠加态,分别是“扑克牌正面朝下/你很沮丧/你朋友安慰你”和“扑克牌正面朝上/你很开心/你朋友向你借钱”。
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将这些综合在一起,正如图7-1所展现的那样,埃弗雷特意识到,尽管只存在一个波函数和一个量子实在(在其中,我们宇宙中的许多粒子都同时处在两个位置),但这一切看起来就好像我们的宇宙分裂成了两个平行宇宙一样!实验结束的时候,将出现有两个不同版本的你,每一个你主观上都觉得很真实,但对另一个你的存在毫不知情。
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想到这里,我的脑袋开始天旋地转,因为量子扑克牌实验只是微观量子怪诞性被放大到宏观世界的一个小小的例子。我们在上一章曾讨论过,这种微小差异被放大到宏观世界的过程每时每刻都在发生。比如,一次宇宙射线粒子的撞击可能引发或未引发某人的癌变,今天的大气条件可能演变或不会演变成明年的一场4级飓风,还有当你通过神经元进行决策的过程中发生的种种。
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也就是说,平行宇宙的分裂持续不断地在进行着,使得量子平行宇宙的数量多得令人眼花缭乱。由于这种分裂从大爆炸的时刻就开始了,很有可能,你所能想象到的所有宇宙历史都已经在量子平行宇宙中变成了现实,只要它们不违反物理定律就行。这样一来,平行宇宙的数量,远远大于我们的宇宙中所有砂砾的数目。简而言之,埃弗雷特告诉我们,如果波函数永不坍缩,那么我们所感知到的熟悉的现实世界只是冰山一角——这座存在论的冰山极其庞大,由数不胜数、真实存在的量子实在构成。
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可能你还记得,我们在第5章里讲到过另一种平行宇宙。为了防止混淆,先让我们来复习一下第5章讲过的概念。当我提到“我们的宇宙”时,我指的是一个球形空间区域,球面上发出的光线在大爆炸140亿年后能够到达我们,我们观测到了它的一些经典性质(有哪些星系、分布在什么地方、有怎样的历史,诸如此类)。在第5章里,我们讲到,在我们的球形空间区域之外,在广袤无垠的空间中,在遥不可及的地方,还存在着其他球形空间区域,根据它们与我们的有效物理定律相同或不同,把它们称为第一层平行宇宙或第二层平行宇宙。
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现在,让我们把埃弗雷特发现的量子平行宇宙称为“第三层平行宇宙”,所有的第三层平行宇宙组成了“第三层多重宇宙”。这些平行宇宙在何处呢?第一层和第二层平行宇宙虽然与我们相去甚远,但终究都位于我们所熟悉的三维空间中,但是,对于第三层平行宇宙来说,如果考虑到三维空间的话,它就位于此处,而并非远在他乡。它与我们的分离发生在所谓的“希尔伯特空间”(Hilbert space)中,这是一种抽象的空间,拥有无限多的维数,波函数就栖身于其中[33]。埃弗雷特关于量子力学的观点几乎被完全忽视了,直到10年后,著名量子引力理论家布莱斯·德维特(Bryce DeWitt)发掘了这个理论,并将它变得流行起来。他把这个理论称为“多世界诠释”(Many Worlds interpretation),这是个有点儿拗口的名字。
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后来,我见过布莱斯,他告诉我,他一开始向休·埃弗雷特抱怨说,尽管他喜欢埃弗雷特的数学方法,但直觉上很难接受,因为他没法感觉到自己不断分裂成许多个自己。他告诉我,埃弗雷特用一个问句来回答他:“那你能感觉到自己以每秒30公里的速度绕着太阳旋转吗?”“讲得好!”布莱斯大喊一声,并乖乖认输。
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