多世界的幻想：最奇特的科學(xué)理論其實(shí)不自洽

本文來(lái)自微信公眾號(hào)：返樸 （ID：fanpu2019），作者：Philip Ball，翻譯：一二三

宇宙不斷地分裂成不同的現(xiàn)實(shí)世界，這一想法不可思議地受到了科學(xué)、哲學(xué)和通俗文學(xué)的熱情接納。但是，這個(gè)僅針對(duì)于量子力學(xué)中獨(dú)特問(wèn)題而提出的詭譎的解決方案根本不是優(yōu)雅的科學(xué)。我們不僅應(yīng)該拒絕它奇怪的要求，同時(shí)也是時(shí)候?qū)ふ伊硪粭l解決路徑了，Philip Ball 寫道。

“另一個(gè)世界”的想法擁有無(wú)法抗拒的誘惑力。不管是狄更斯的《圣誕頌歌》，弗蘭克?卡普拉（Frank Capra）的《生活多美好》（譯者注：1946 年上映的經(jīng)典勵(lì)志電影），或者最近阿萊克斯?加蘭德（Alex Garland）導(dǎo)演的迷你劇《開發(fā)者》（Devs）中量子計(jì)算出的平行宇宙，那些我們能夠想象出可能真實(shí)存在，卻沒(méi)有變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的世界，為我們提供了一個(gè)釋放內(nèi)心恐懼與幻想的舞臺(tái)。就像美國(guó)詩(shī)人羅伯特?弗羅斯特（Robert Frost）筆下的旅行者在森林中遇到的分叉小路，我們常常想知道那條沒(méi)走的路會(huì)把我們帶往何處。

那么就不難理解量子力學(xué)的多世界詮釋（Many Worlds interpretation, MWI）為何有如此強(qiáng)大的吸引力。盡管大多數(shù)物理學(xué)家對(duì)這一想法不屑一顧甚至報(bào)以揶揄，但它卻總是被物理科普人和他們的受眾熱切地接受。然而，要搞清楚某些支持者到底是不是真的接受這一想法是很困難的。我相信一些物理學(xué)家發(fā)自內(nèi)心地認(rèn)為它是一個(gè)優(yōu)美方案，能夠解決以“燒腦”著稱的量子力學(xué)的基本問(wèn)題，我也對(duì)其中一些理由感同身受。但當(dāng)他們開始大談“量子兄弟”（想必也有姐妹吧，雖然多世界詮釋只有少數(shù)女性支持者）；或者利用“量子應(yīng)用”去做艱難的選擇，就是通過(guò)觸發(fā)某種量子測(cè)量，并確信這個(gè)過(guò)程中整個(gè)世界也一分為二了，而他們?cè)诹硪粋€(gè)世界中做了另一個(gè)選擇；這時(shí)候我不禁想問(wèn)，拋去復(fù)雜的哲學(xué)討論，他們是否只是在這份幻想中自嗨。

為什么會(huì)有人認(rèn)為量子理論揭示了這樣一幅圖景：數(shù)量龐大到難以想象，甚至可能是無(wú)窮多的其他世界不斷地從我們自己的現(xiàn)實(shí)世界中分離出去？最近圣母大學(xué)哲學(xué)教授 Daniel Nolan 在一篇文章里解釋說(shuō)，上述圖景來(lái)源于量子理論概率性的本質(zhì)。正如德國(guó)物理學(xué)家馬克思?玻恩（他太多的實(shí)質(zhì)貢獻(xiàn)都沒(méi)得到應(yīng)有的贊譽(yù)）在上世紀(jì) 20 年代提出的，量子力學(xué)似乎有一個(gè)不同于任何其它科學(xué)理論的怪異屬性。一般來(lái)說(shuō)，它似乎不能預(yù)測(cè)一個(gè)量子事件的觀測(cè)結(jié)果，而只能得到所有可能結(jié)果的概率。對(duì)于一個(gè)經(jīng)典物體，比如一個(gè)網(wǎng)球或者一艘宇宙飛船，在給定一些具體條件的情況下，牛頓運(yùn)動(dòng)方程能準(zhǔn)確告訴我們?cè)撐矬w會(huì)沿什么樣的路徑運(yùn)行。但是向著一個(gè)開有兩條狹縫的屏幕上發(fā)射光子，量子力學(xué)只能提供光子走某條路徑的概率。

只有當(dāng)我們測(cè)量一個(gè)量子事件的結(jié)果之后，才能得到一個(gè)確切的答案。比如說(shuō)某事件結(jié)果為 A 或 B 的概率是 50:50，一旦我們觀測(cè)它，它就會(huì)以某種方式變成其中一個(gè)結(jié)果（100% 的概率）。這有點(diǎn)像扔硬幣，扔之前有 50:50 的機(jī)會(huì)得到正面或背面朝上，但只要我們?nèi)恿饲铱戳耍Y(jié)果要么是 100% 正面朝上，要么是 100% 背面朝上。我們可以確認(rèn)一開始 50:50 的概率是對(duì)的，方法就是通過(guò)重復(fù)試驗(yàn) —— 扔很多次，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，平均來(lái)說(shuō)得到正面或反面朝上的次數(shù)是一樣的。

在大多數(shù)科學(xué)理論中，概率性的預(yù)測(cè)表明我們?nèi)鄙訇P(guān)于某些細(xì)節(jié)的信息。如果我們一開始就知道硬幣中每一個(gè)原子的位置與速度，扔硬幣手的運(yùn)動(dòng)，空氣流動(dòng)等等，我們應(yīng)該能完全確定地預(yù)測(cè)結(jié)果（實(shí)際中不可能，但理論上可以）。然而量子力學(xué)中概率是基本的：該理論似乎堅(jiān)持認(rèn)為，不管測(cè)量什么，我們所能做到最好的也只是預(yù)測(cè)得到不同結(jié)果的概率。

于是問(wèn)題便成了到底是什么將事件發(fā)生前的概率性變?yōu)榘l(fā)生后的確定性。似乎這里面有一些突變，量子力學(xué)自己都無(wú)法給出解釋。1924 年薛定諤給出描述量子粒子行為的方程中不包含這一轉(zhuǎn)變。這一方程使用了一個(gè)被稱為波函數(shù)的數(shù)學(xué)構(gòu)造來(lái)描述粒子及其行為（因?yàn)樗兔枋鼋?jīng)典波的方程類似）。正如玻恩展示的，波函數(shù)可以被用來(lái)計(jì)算概率，即我們測(cè)量粒子屬性 —— 比如它在空間中的位置，解方程得到某特定結(jié)果的概率。但薛定諤方程表現(xiàn)出這些性質(zhì)總是連續(xù)變化的，而測(cè)量似乎總是導(dǎo)致突然跳變到一個(gè)確定值：這就是 Nolan 所說(shuō)的波函數(shù)的“坍縮過(guò)程”。

量子力學(xué)本身沒(méi)有對(duì)波函數(shù)坍縮給出解釋 —— 它需要以某種特定的方式人為加入，就像 1930 年代匈牙利數(shù)學(xué)家馮?諾依曼首先做的那樣。這很尷尬，也不能令人滿意 —— 當(dāng)然，數(shù)學(xué)上沒(méi)問(wèn)題?？墒?，光滑連續(xù)的概率波在現(xiàn)實(shí)世界中如何轉(zhuǎn)變成獨(dú)特的觀測(cè)值，我們?nèi)院翢o(wú)頭緒。為了避免這一問(wèn)題，休?埃弗里特（Hugh Everett）于 1957 年在普林斯頓大學(xué)的博士論文中提出了“多世界”詮釋。埃弗里特說(shuō)道，如果根本就沒(méi)有從所有可能中選出某一結(jié)果的波函數(shù)坍縮呢？相反，它們可能全部都發(fā)生了，只是處于不同的平行世界？在此圖像中，當(dāng)光子到達(dá)雙狹縫時(shí)，在一個(gè)宇宙中它穿過(guò)某一個(gè)狹縫，而在另一個(gè)宇宙中穿過(guò)另一個(gè)狹縫。

可這樣的話，每個(gè)宇宙中都必須有一個(gè)觀察者，可以各自看到一個(gè)結(jié)果。換句話說(shuō)，一切都分裂了：儀器、研究人員、實(shí)驗(yàn)室、宇宙。埃弗里特不愿在論文中過(guò)多提及現(xiàn)實(shí)人的“加倍”（而不僅僅是粒子數(shù)加倍），但是這個(gè)概念就根植在理論中。它在 1970 年代得到了擴(kuò)展，現(xiàn)在“量子自我”的增殖擴(kuò)散已經(jīng)成為了多世界詮釋科普演講中典型的吸睛元素。

與此同時(shí)，埃弗里特留下的一些懸而未決的問(wèn)題，特別是“分裂”是如何發(fā)生的，已經(jīng)得到澄清?，F(xiàn)在物理學(xué)家已經(jīng)知道，在某些宏觀的測(cè)量設(shè)備中，將量子事件（例如發(fā)生在粒子上）記錄為可觀察結(jié)果的過(guò)程涉及到一種稱為退相干的現(xiàn)象，粒子的量子態(tài)與它所處環(huán)境中粒子的量子態(tài)混合在一起（ “糾纏”）。多世界詮釋的支持者們認(rèn)為，埃弗里特提出的分裂是一種“拆解”，它是由退相干引起的，退相干導(dǎo)致事件發(fā)生前宇宙中固有的兩個(gè)（或更多）可能結(jié)果分裂，并且不再相互影響。然后，它們?cè)谝磺幸饬x上都分別處在不同的宇宙中，共存于“在同一空間中”，卻彼此“遺忘”。

由此，多世界理論的支持者們認(rèn)為波函數(shù)坍縮問(wèn)題就不存在了。不過(guò)作為代價(jià)，我們必須接受宇宙正在不斷瓦解為平行現(xiàn)實(shí)。

對(duì)于許多人來(lái)說(shuō)，這個(gè)代價(jià)過(guò)于奢華了。首先，從定義上講，這些平行世界永遠(yuǎn)無(wú)法觀察到，因?yàn)橹挥幸蚬?dú)立于當(dāng)前世界才能真正稱為其他世界。相反，如果兩個(gè)結(jié)果沒(méi)有退相干，仍能夠相互作用，它們就能“干涉”—— 這是一種量子行為的典型表現(xiàn)。況且，有人問(wèn)，我們?nèi)绾谓邮芤粋€(gè)永遠(yuǎn)無(wú)法被證明為真的命題作為真正的科學(xué)？多世界理論支持者回答說(shuō)，他們理論的正確性就蘊(yùn)含在薛定諤方程本身之中，應(yīng)該受到質(zhì)疑的是量子理論的其他詮釋，這些詮釋被迫在方程中添加一些內(nèi)容，以解釋該方程是如何“破裂”的從而給出某一觀測(cè)結(jié)果。

換句話說(shuō)，盡管有人反對(duì)“多世界解釋”，認(rèn)為它是一門糟糕的科學(xué)，因?yàn)樗鼘?duì)宇宙過(guò)于隨意揮霍了；多世界理論支持者卻說(shuō)，就理論的前提假設(shè)而言，它實(shí)際上是最簡(jiǎn)明的解釋。但事實(shí)是，兩種立場(chǎng)都不具有有力的論據(jù)。

一個(gè)對(duì)多世界詮釋更嚴(yán)肅的反對(duì)是，它沒(méi)有解釋概率是如何進(jìn)入量子力學(xué)的 —— 這些概率滿足從波函數(shù)中提取預(yù)期結(jié)果的玻恩定則。如果事實(shí)是所有結(jié)果總以 100％的概率發(fā)生（在這個(gè)世界或其他世界中），我們又怎么能說(shuō)結(jié)果 A 的概率為 50％（但我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）？多世界支持者宣稱，這些概率應(yīng)該理解為量子分裂中各分支的“權(quán)重”，Nolan 稱其為“強(qiáng)度”。但這本身并沒(méi)有多大意義。比方說(shuō)，如果結(jié)果 A 和 B 的概率分別為 75％和 25％，那么這并不意味著 A 宇宙比 B 宇宙更真實(shí)，更絕對(duì)或是更 robust。

多世界支持者爭(zhēng)辯說(shuō)，我們應(yīng)該將這些表面上的概率理解為分配給每個(gè)可能世界中最終結(jié)果的預(yù)期。換句話說(shuō)，它們是描述個(gè)人經(jīng)歷的主觀概率，即使“我的一個(gè)版本”將以 100％的概率出現(xiàn)在每個(gè)宇宙中。這種想法有多種變體：有人斷言，玻恩定則本身可以從理性觀察者如何押注各個(gè)量子結(jié)果的主觀觀念中得出；雖然觀察者知道（如果“多世界”觀點(diǎn)正確）她的不同版本肯定會(huì)出現(xiàn)在所有可能的世界中，但每個(gè)版本只會(huì)意識(shí)到其中一個(gè)，并且她可以在量子分裂之前對(duì)“她”稍后將觀察到的結(jié)果下注。

但這正是多世界詮釋破滅的地方！因?yàn)樵谠噲D消除波函數(shù)坍縮的困境時(shí)，這個(gè)理論被迫強(qiáng)加了個(gè)體 —— 做出有意識(shí)決定的人！—— 作為可以“解釋”粒子如何表現(xiàn)的要素。這樣它看起來(lái)就不再那么簡(jiǎn)潔了，不是嗎？實(shí)際上，情況還要比這糟得多。因?yàn)?，MWI 甚至剝奪了我們談?wù)搨€(gè)人的能力 —— 有意義地談?wù)摗澳恪被颉拔摇睂⒂^察到什么，很少有多世界支持者愿屈尊考慮這個(gè)問(wèn)題。簡(jiǎn)而言之，沒(méi)有任何有意義且明確的方法能將量子“分裂”之前的“你”與“分裂”之后的“你”聯(lián)系起來(lái)。我們可以想象這意味著什么，一些物理學(xué)家甚至試圖通過(guò)大談《星際迷航》里的傳送器或克隆人等來(lái)捍衛(wèi)這一觀念。但是，以哲學(xué)的清晰性和忠實(shí)性來(lái)看，分裂的自我給未來(lái)下注這樣一幅圖景是不自洽的。確切地說(shuō)，MWI 自己完全消除了那些讓它看起來(lái)有意義的東西。

MWI 宣傳自己是波函數(shù)坍縮謬誤的“解毒劑”，這也是一條“紅鯡魚”（譯者注：即轉(zhuǎn)移話題謬誤，就是把一個(gè)不相干的話題，按一定技巧穿插進(jìn)來(lái)，把對(duì)方注意力和討論方向轉(zhuǎn)移到另一個(gè)論題上，從而贏得論戰(zhàn)）。因?yàn)楝F(xiàn)在整個(gè)多世界概念都是多余的：仔細(xì)考慮一下對(duì)量子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)會(huì)發(fā)生什么，我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)“坍縮”不再是一個(gè)有用的概念。相比之下，現(xiàn)在有更好的圖像，描述理解量子系統(tǒng)的各種內(nèi)稟可能性是如何通過(guò)與環(huán)境相互作用而緩慢地朝向某一個(gè)結(jié)果傾斜，最終會(huì)導(dǎo)致退相干并給出確定結(jié)果。多世界支持者似乎熱衷于堅(jiān)持這個(gè)過(guò)時(shí)的坍縮“稻草人”，但量子物理學(xué)的研究繼續(xù)向前邁進(jìn)。這并不是說(shuō)我們可以解釋所有問(wèn)題，但現(xiàn)在看來(lái)，這個(gè)關(guān)于不斷擴(kuò)散的宇宙的有趣、富有創(chuàng)造力且大膽的建議似乎不太可能有大幫助。是時(shí)候走另一條路了。

本文譯自 Philip Bal. The many worlds fantasy

原文地址：https://iai.tv/ articles / the-many-worlds-fantasy-auid-1793?_auid=2020

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