平行宇宙,可能存在多个不一样的你

文章作者:lili | 2017-07-19
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        人类总是对自己好奇的东西显得越发兴趣,就像天文学家发现新星,科学家发现世间万物的规律一样兴奋。2011年7月,在奥地利的特劳恩湖边聚集了一群物理学家、哲学家和数学家。

  他们参加了一次主题为“量子物理和实在的本质”的会议,在会议的最后,有33个人被邀请对会议讨论主题进行一次投票。其中有一个问题是:“你最喜欢哪一个量子力学诠释?”[1] 

  值得注意的是,问题中的“喜欢”一词含义深远。或许你会纳闷难道科学不是由实验和观测所决定,而是由个人偏好所定?到目前为止,量子物理的实验在这个问题上保持沉默。

 投票的结果。在此之前,Max Tegmark分别于1997年的马里兰大学量子力学会议和2010年在哈佛大学的演讲中也邀请了不同的物理学家对该问题进行投票[2]。(图片来源:M。 Schlosshauer et al。)投票的结果。在此之前,Max Tegmark分别于1997年的马里兰大学量子力学会议和2010年在哈佛大学的演讲中也邀请了不同的物理学家对该问题进行投票[2]。(图片来源:M。 Schlosshauer et al。)

  投票的结果显示,最受欢迎的诠释是由玻尔、海森堡等人在量子理论刚发展起来的时候提出来的。今天我们称之为哥本哈根诠释(Copenhagen Interpretation)。

  其它的选项可能大部分你都没听过,比如量子贝叶斯论、玻姆诠释、客观坍缩理论、关系性诠释等等。

  当然,也许你也没听过哥本哈根解释。在这些投票中,最值得注意的是排在第三位的多世界诠释(Many Worlds Interpretation)。

  你肯定听过这么一个想法:有许多个你,生活在不同的宇宙中,不同版本的你很可能正做着你现在所梦寐以求或不敢做的事情。这听起来如科幻版的画面正是多世界诠释所告诉我们的。

  这是多么诱人的想法啊!但你只要稍微严谨一点,就会觉得这根本不可能啊,因为没有人知道如何检验它,这个想法或许都不能称得上是科学的。

  用泡利的话说是:“这不只不正确,甚至连错都算不上”。但是,在过去,多世界诠释吸引了越来越多的支持者。为什么?为了理解,我们必须知道为什么在量子力学建立的百年之后物理学家依旧聚在一起为它的真正含义而辩论。

  自量子力学发展至今,它有着惊人的成功,通过了目前所有的实验检验。事实上,要找到一个比它更加成功的科学理论是非常艰难的。

  它可以以非常高的精确度预测许多现象,从天空的颜色到玻璃的透明度,从酶的运作方式到太阳如何闪闪发亮,都可以由量子力学预测。(即使如此,一些物理学家依旧对量子力学的基本问题感到忧心忡忡。比如诺贝尔得主温伯格在2016年的帕特鲁斯基讲座中就表达了他对量子力学越来越不满意。)

  实际的计算其实很复杂,任何比氢原子复杂的系统都需要进行简化和近似。但计算依然可靠,因此大多数物理学家、化学家和工程师在使用量子理论解决实际问题时都不需要去任何会议讨论实在的本质。

  而另一方面,我们又不得不面临量子理论所预测的一些奇怪的行为。例如方程中暗示了非常小的实体,比如原子或亚原子粒子,可以同时处于不同的位置。一个电子看起来好像同时会穿过两个孔,并产生干涉,表现的跟波一样。

  更重要的是,我们无法同时知道关于一个粒子的所有信息:海森堡的不确定性原理禁止了这一可能性。而且两个粒子可以无视距离的限制相互产生瞬时的影响,明显地违反了爱因斯坦的狭义相对论

  一般情况下,量子科学家都会接受这些看似怪异的现象。因此这些概念也不再那么有争议性。真正产生意见分歧的地方在于,根据量子力学,当我们进行测量时,我们不可避免的会对我们所测量的系统造成影响。这个问题要比你想象的更加的基本。

  最常用的量子力学的数学形式是由薛定谔在1920年代所提出的,涉及到了一个叫做波函数的抽象概念。

  波函数描述了一个量子物体所有能够被知道的信息。但是它没有告诉我们该物体的性质。而是列举了所有它可能拥有的性质,以及各种可能的相关的概率。

  这些概率中哪一个才是真实的?一个电子究竟是在这里或那里?我们可以通过观测来找出答案。但是,量子力学似乎告诉了我们,当我们进行观测的时候,就迫使了宇宙随机的做出选择。

  在进行观测前,一切都是概率。当我们打开盒子,这些概率就给出了一个确定的结果,通常我们称之为波函数坍缩。但是波函数坍缩并不是理论的一部分,它是由观测的行为决定的,这也是令人不满意的地方。这就是所谓的测量问题

  这也正是特劳恩湖会议所关心的问题(也是温伯格最为关心的问题)。主张哥本哈根诠释的物理学家只会耸耸肩并接受波函数坍缩是理论额外的部分。站在讲堂上的物理教授也会告诉第一次接触量子力学的本科生,只要闭嘴,学会计算就可以。

  而另一方面,多世界诠释则吸引了越来越多的支持者,包括Stephen Hawking、诺贝尔得主Frank Wilczek、Martin Rees和Sean Carroll等人。

  他们认为多世界诠释才是认真对待量子理论的唯一方式。

  1957年,Hugh Everett在他的博士论文中首次提出多世界诠释。Everett认为波函数坍缩只是一个幻象,或许波函数中的所有概率都有一个物理实在?即当我们进行测量时,实际上我们只看到了其中一个实在,而其它的可能性也存在。

多世界诠释。如果有一个异性跟你搭讪,问道:“你想去喝一杯吗?” 你的回答会产生两个结果。在其中一个宇宙中你们各自继续做单身狗,而另一个宇宙你们愉快的结婚生子。(图片来源:Max Tegmark)多世界诠释。如果有一个异性跟你搭讪,问道:“你想去喝一杯吗?” 你的回答会产生两个结果。在其中一个宇宙中你们各自继续做单身狗,而另一个宇宙你们愉快的结婚生子。(图片来源:Max Tegmark)

  但问题是,其它的可能性存在在哪里?这时多世界的概念开始出现。

  Everett自己从没有用这个词,但在1970年代,物理学家 Bryce DeWitt 开始大力拥护这个提议,也正是 DeWitt 认为实验的另外可能结果必须存在于一个平行的世界。

  测量一个电子的路径,在我们的世界它看起来往右前进,而在另一个世界它则往左运动。如此,就可以避免波函数坍缩,但其代价是需要制造另外的宇宙。

  物理学家Max Tegmark也是多世界诠释的主要推广者,他曾经表示:“如果你偏爱一个简单和纯粹的数学理论,那么你就会接受多世界诠释。”

  奥地利动物行为学家 Konrad Lorenz 经过观察和思考得出一个结论——重要的科学发现都会经历三个阶段:起初,它们会被完全忽视;接着,它们会遭到狂暴的攻击;最后,它们变得人尽皆知

  根据以往的投票表明,Everett的平行宇宙理论在20世纪60年代处于第一个阶段,而现在已经进入了第二个阶段和第三个阶段之间的某处。

  对于许多人来说,平行宇宙的想法只会永远存在于形而上学的领域中。然而,正如Tegmark在他的著作Our Mathematical Universe (中文版《穿越平行宇宙》)中写道:“判断一个理论是属于真实的物理学还是形而上学,并不是看它有多古怪,也不是看它包含的实体是否可见,而应当考察它是否可用实验来验证。

  随着科技的不断进步,实验物理学已经取得了许多突破性的进步,许多曾经被认为是形而上学的抽象的概念都已得到了验证,比如地球是圆的、隐形的电磁场、高速运动下时间会变慢、量子纠缠、弯曲的空间黑洞

  以现代物理学为基础的理论其实都是可检验、可预测和可证伪的。多重宇宙也不例外。Tegmark表示:“对我来说,最有趣的问题不是多重宇宙是否真的存在,而是到底有几层。”

 当你仔细思考多重宇宙的可能性时,相信每个人心中都有许多的疑问。这本书或许能够解开你心中的许多困惑。(图片来源:湛卢文化)当你仔细思考多重宇宙的可能性时,相信每个人心中都有许多的疑问。这本书或许能够解开你心中的许多困惑。(图片来源:湛卢文化)

  Tegmark在书中把 Everett 发现的量子平行宇宙称为“第三层平行宇宙”,而所有的第三层平行宇宙组成了“第三层多重宇宙”。

  是否存在另一个你,也在读这本书呢?当你决定继续读下去时,他却没有读完这句话就放弃了?他是否也住在一颗叫做地球的行星上,那里也有迷雾缭绕的山林、肥沃的土地、整齐排布的城市,并同气他7颗行星一起围绕着一颗恒星运转?这个人过去生活的方方面面都和你一模一样——直到现在,你决定读下去,而他决定放弃,这个差异放佛一个岔路口,让你俩的人生道路走向不同的方向。——《穿越平行宇宙》

  而如果我们想要了解第一层和第二层多重宇宙,我们就必须回到大约138亿年前——宇宙诞生后,经历的一次暴胀。暴胀理论在过去获得了许多天文观测的证实,但同时它也做出了让许多人无法接受的预言,比如多重宇宙的存在。

  而当我们进入第四层宇宙的时候,就会发现“从某种意义上说,我们的实在并不只是被数学所描述,它本身就是数学。

  并且,它不仅某些方面是数学,它的全部都是数学,包括你在内。” 这个听起来十分疯狂的想法正是Tegmark多年以来在脑海中所酝酿的。

  这里,我将迅速的带你们进入Tegmark提出的四层多重宇宙[3-4]:

  平行宇宙穿越指南

第一层宇宙第一层宇宙

  根据永恒暴胀理论的预测:另一个你真的存在,“你”就居住在10^(10^29)米之外的一个星系中。其前提是:空间是无限的,并且均匀地充满了物质。但你或许永远也无法看到另一个“你”。你所能观测到最远的距离是光在大爆炸开始后的138亿年期间所传播的距离,这个距离大约是4.3×10^26米,定义了可观测宇宙,或者说我们的宇宙。而地球的孪生兄弟则位于非常遥远的区域——早已超越了可观测宇宙的范围,光线和其他信息没有足够的时间到达我们。那里与我们遵循着同样的物理定理,但可以拥有不同的宇宙历史。

  第二层多重宇宙

  但事情还没有结束,暴胀理论甚至预测有无穷多个的第一层多重宇宙,有一些甚至拥有明显不同的物理定律,所有的第一层多重宇宙的集合构成了第二层多重宇宙。第二层多重宇宙会形成树状结构,在树枝内的时空区域,暴胀会持续下去,而树枝间的U形区域则是暴胀结束的产物,每个U形区域都代表了一个无限的第一层多重宇宙。这个树形结构的树枝会永远生长下去,创造出无数多个这样的U形区域——所有的U形区域一起组成了第二层多重宇宙。在每一个U形区域内,暴胀的终结都将把暴胀物质转变为粒子,最终聚集形成原子、恒星和星系。

  第三层多重宇宙

  第三层多重宇宙就是Everett所预言的量子平行宇宙:栖身在无限维度的抽象空间;就在我们身边,现实不过是被量子时间分裂成了不同的平行情节。

  第四层多重宇宙

  数学宇宙假说是Tegmark提出的一种万有理论[5],他认为一切都是数学结构:我们不止可以用数学来表达,宇宙本身就是数学!所有的平行宇宙都是数学结构。

        假如真的有平行宇宙,想想看你是一个普普通通的学生,而在另外一个世界你确是一个小混混、老师、或者是比马云还更有能力的商人。这是多么的有趣!

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