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经典物理学同时预测了两个事实:我们正在围着太阳转;我们丝毫感觉不到这件事。与之类似,埃弗雷特告诉我们,永不坍缩的量子物理学也同时预测了两个事实:我们正在分裂;我们丝毫感觉不到这件事。
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有时候,我的信念与感觉很难统一。时间快进到1999年5月,我正在等待第一个儿子的降生。我感到很紧张,希望妻子分娩一切顺利。但是,在同一时刻,我所相信的物理学却说服我,幸运和不幸的结果将同时存在于不同的平行宇宙。在这种情况下,我所谓的“希望”又意味着什么呢?或许,我是在希望我自己出现在一切顺利的那个平行宇宙中?不,这是废话,因为我将同时出现在所有的平行宇宙中,在一些平行宇宙中,我会欣喜若狂,而在另一些平行宇宙中,我会伤心欲绝。或许,我希望的是在所有平行宇宙中,分娩都会一切顺利?不,这也是废话。因为顺利的可能性本质上是可以用薛定谔方程计算出来的,对一件事先已经决定好的事情抱以希望并不符合逻辑。但是很明显,或许也很幸运,我的情感并不完全符合逻辑。
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随机性的幻觉
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我还有更多问题。大家都知道,如果你重复做一个量子实验,那么一般来说,你会得到看似随机的不同结果。比如,有一些以相同的方式预先准备好的原子,你要测定它们的自旋方向,结果你会得到一系列看似随机的结果,比如,“顺时针”“逆时针”“顺时针”“顺时针”“逆时针”等。量子力学不能预测你的实验结果,只能预测不同结果出现的概率。但是,这种与概率有关的说法,来源于哥本哈根解释的波函数坍缩假设。那么,在埃弗雷特眼里,量子力学为什么会出现随机性呢?其实,根据薛定谔方程,根本不存在随机性这种东西——如果你知道我们宇宙此时此刻的波函数,本质上来说,你就能预测出未来任何时刻的波函数。
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1991年秋天,我报名参加了一门不寻常的课程,由我的研究生同学安迪·埃尔比(Andy Elby)讲授量子力学的各种诠释。他的宿舍曾经就在我女朋友宿舍的隔壁,宿舍门上经常装饰着一些有用的建议,比如“7个步骤让你变拖延”。和我一样,埃尔比也对量子力学的真正含义十分着迷。在课程中,他请我讲了两堂课,主题就是埃弗雷特的研究。这是我人生中一个激动人心的时刻,因为这是我第一次演讲物理方面的内容。
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演讲中,我花了很长时间来讲埃弗雷特对随机性的解释。首先,如果你做了量子扑克牌实验(见图7-1),两个版本的你(在各自的平行宇宙中都是有效的)都会看见一个确定的结果。两个你都会感到结果是随机的,因为没办法进行预测——不管你预测到什么结果,在另一个同样真实的平行宇宙中,都有可能产生相反的结果。
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那又如何解释概率问题呢?它们从何而来?如果你重复做这个实验4次,你将会得到24=16种结果(见图7-2)。在绝大多数情况下,你会觉得正面朝上还是朝下似乎是随机发生的,概率大约都为50%。只有在两种情况中,你会得到4次相同的结果。如果你一次又一次地重复这个实验,结果会变得很有趣。根据法国数学家埃米尔·波莱尔(mile Borel)在1909年提出的定理,如果你将这个实验重复无数次,那么在绝大多数情况下,你都会观察到扑克牌正面朝上的概率为50%(除了数学家称为“零测度集”之外的所有情况)。在最终的叠加态中,几乎所有版本的你都会因此总结说:尽管内在的物理定律(薛定谔方程)一点儿也不随机,但实验却符合概率的规律。
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也就是说,在一个典型的平行宇宙中,某一个版本的你主观上会认为输赢序列似乎是随机的,就像从两种结果的概率均为50%的一个随机过程中抽取出来的一样。这个实验可以被设计得更严格一些。你将赢记作“1”,将输记作“0”,并在这个数列前加一个小数点。比如,如果你的实验结果分别是输、输、赢、输、赢、赢、赢、输、输、赢,那你就在纸上写下“.010 101 010 1……”。这正是0到1之间的实数用二进制的方式写出来的样子,也是计算机写入硬盘的方式。如果你想象一下,将这个量子扑克牌的实验重复无数次,你的纸上将记录下无数多个小数位,所以你可以用一个0到1之间的数字与相应的平行宇宙配对。
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波莱尔的定理证明,几乎所有这些数字都有50%的小数位等于0、50%的小数位等于1。这意味着,在几乎所有平行宇宙中,你都会赢50%、输50%。[34]然而,并非只要比例刚好就能被称为随机。来看一个数字“.010 101 010 1……”,它有50%的小数位等于0,但明显不是随机的,因为它的模式很简单。于是,波莱尔的定理可以推而广之为——几乎所有数字的数位都是看似随机的,并且不存在任何一种模式。这意味着,在几乎所有第三层平行宇宙中,你的输赢序列也是完全随机的,没有任何模式,所以,唯一能预测的事情就是:你赢的次数占50%。
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图7-2 量子概率的来源。根据量子力学,一张完美直立的扑克牌会同时倒向两个不同的方向,称为叠加态。如果你赌它倒下时正面朝上,那么世界的状态将会变成两种结果的叠加态:一种是正面朝上并且你很开心,另一种是正面朝下并且你很沮丧。每一种状态中的你对另一种状态的存在都毫不知情,并觉得扑克牌是随机倒下的。如果你重复4遍实验,将会有2×2×2×2=16种结果。在这些结果中,大多数情况里,你都会认为正面朝上或面朝下是随机发生的,概率都为50%。在这16种结果中,只有在两种情况中,你会获得4次相同的实验结果。如果你重复做400次实验,就会有2400种结果,大多数结果中,正面朝上的概率都接近50%。根据一个有名的理论,如果你将这个实验重复做无数次,那么你观察到正面朝上的概率极限为50%。在最终的叠加态中,绝大多数版本的你都会因此总结说,尽管内在的物理定律一点也不随机,但实验符合概率的规律。正如爱因斯坦所说:“上帝不掷骰子。”
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我渐渐被震撼了,这种随机性的幻觉并不只是量子力学的专属。假设某种未来科技可以在你睡觉时对你进行克隆,之后,两个你被分别放置在标着“0”和“1”的房间里(见图7-3)。醒来时,他们都会觉得房间号完全是随机的,根本没法预测。如果某种科技可以把你的意识上传到计算机中,那么我在此说的话在你看来将是显而易见和符合直觉的,因为克隆你和拷贝你的意识都一样容易。如果你将图7-3中的克隆实验重复许多次,并且每次都写下你的房间号,在绝大多数情况下,你都会觉得你写下的0和1序列看起来是随机的,其中0占50%,1也占50%。
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图7-3 每次你克隆自己时,都会经历一次随机性的幻觉,所以,这里其实并没有量子力学什么事。如果某种未来科技可以在我儿子菲利普睡觉时克隆他,然后把他的两个版本分别放入标着“0”和“1”的房间里,他们醒来后都会觉得房间数是完全随机和不可预测的。
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也就是说,每当你被克隆一次,因果的物理过程都会在你的主观意识中产生随机性的幻觉。既然波函数的演变是事先决定好的,那为什么量子力学还是看起来很随机呢?根本原因就在于,薛定谔方程让波函数发生了演变,将一个单个的你,演变成了众多平行宇宙“克隆人”中的其中一个。
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那么,被克隆时有何感觉呢?有随机的感觉!每当你身上发生了一件似乎本质上是随机的、不可预测的事情,这就是一个征兆,说明你可能已经被克隆了。
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休·埃弗雷特的研究依然饱受争议,但我认为他是正确的,波函数永不坍缩。我还认为,总有一天,他会被公认为一位与牛顿和爱因斯坦平起平坐的天才,至少在大多数平行宇宙里会这样。不幸的是,在当前我们所在的这个平行宇宙里,他的研究几乎被遗忘和忽视了十多年。他在物理学领域内找不到工作,变得潦倒、孤僻、嗜烟酗酒,在1982年死于早期心脏病。
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最近,我对埃弗雷特的了解越来越多,因为我在电视纪录片《平行宇宙,平行生命》(Parallel Worlds, Parallel Lives)的拍摄期间认识了他的儿子马克·埃弗雷特(Mark Everett)。制片人希望我向他解释他父亲的研究,我感到由衷的幸运和荣耀。当我站在伯克利那间激进书店里寻找那本书时,我无论如何也想不到,有一天我能和我的这位物理学英雄之间产生个人联系。马克是一名摇滚明星,如果你看过《怪物史莱克》,你一定听过他的歌(见图7-4)。他父亲的命运让家庭饱受折磨,你能在他的许多歌曲中听到这一点。尽管他和姐姐同父亲住在一起,但他们和父亲之间几乎没有任何交流。马克的姐姐后来自杀身亡,留下一份遗书,说她将去往平行宇宙与父亲团聚。
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由于我相信休·埃弗雷特的平行宇宙真的存在,我忍不住想知道它们是什么样的。在我们这个宇宙,埃弗雷特被普林斯顿大学物理系拒绝,转而去了数学系读研究生,一年后才转学到物理系。由于他的时间很紧张,只做了一些量子方面的研究。我想,在其他平行宇宙里,也许他一开始就被普林斯顿大学物理系录取了,这样他就有足够的时间先在主流研究中留下自己的烙印,随后的量子力学研究也就不会这么容易被忽视了。这将为他开启一段与爱因斯坦类似的职业生涯——爱因斯坦的狭义相对论一开始也同样受到铺天盖地的质疑(尤其是因为他并非职业物理学家,而是学术圈的局外人,一名普通的专利局职员),但却并未被忽视,因为爱因斯坦此前的发现已经为自己赢得了名誉。爱因斯坦从此跻身于学术界,继续发现了广义相对论。与爱因斯坦一样,埃弗雷特也有能力成为教授级别的中流砥柱,作出更多和他第一个发现一样的突破和进展。啊,我多想知道,在那些平行宇宙里,他后来又发现了什么奇妙的东西……
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图7-4 休·埃弗雷特的儿子马克是一个摇滚明星,这张照片拍摄于2007年,当时我和他一起在探索他父亲的研究工作。
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有一件事,我觉得埃弗雷特一定会喜欢参与。那是2001年8月,在马丁·里斯位于剑桥大学的家中,他召集了一帮顶尖物理学家,召开了一场非正式的会议,主题正是平行宇宙以及相关话题。对我来说,这是平行宇宙第一次得到了科学界的尊重(尽管依然饱受争议)。我想,许多人看见其他参会者都有谁之后,一定放下了心理包袱,不再因自己拥有这样怪异的兴趣而感到内疚和尴尬,并开始相互打趣,比如,“你来这个可疑的会议干什么”。在一场关于平行宇宙的讨论会中,长时间的精神高度集中让大家都很紧张,我突然意识到,许多分歧其实只是由粗糙的语言引起的误解:许多人所说的平行宇宙其实属于不同的类型,但他们都用了同样的“平行宇宙”四个字!我想,他们一共说了三四种!想通了这一点,我举起手,提出了4个多重宇宙层级的划分规则,正是我在本书中所使用的这套分类方法。
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尽管埃弗雷特非常聪明,但他有一个重要的问题没有回答:如果一个宏观物体真的可以同时位于两个地方,为何我们从来没有观测到这一现象呢?诚然,如果你测量它的位置,那么,位于两个平行宇宙里的两个你都会发现它位于一个确定的地方。但是,这个回答还不够好,因为精细的实验表明,宏观物体从来不会同时出现在两个地方,即使你根本不观察它们。具体地说,宏观物体从来不会表现出波动的性质,而正是波动造就了所谓的量子干涉模式。不仅埃弗雷特没有解开这个谜,在我的教科书里,也没有任何答案。
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