Monday, December 26, 2011

宇宙的精灵 #b13.2


补丁13.2    

                                量子力学的多世界诠释


量子世界的物理规律是由薛定谔方程描述的。该方程用偏微分方法建构,因此是连续的且是严格决定的。头痛的是,方程必须使用i(-1的开方)这个“虚数”或称“复数”,方程解不是一个唯一的波函数,而是多个相位不同的波函数叠加。比如一个原子,在给定的时间(比如1秒)内会有两个方程解——衰变和不衰变。按理说,这两个结果都是必然的。在薛定谔猫的思想实验中,这就成了“薛定谔猫佯谬”。因为原子衰变就会激发出毒药毒死薛定谔猫,而不衰变毒药就不释放薛定谔猫安然无恙——薛定谔猫既死了又活着!

哥本哈根诠释的哲学基础是贝克莱的“存在就是被感知”,观测之前,无论是活猫或者死猫都是不存在的,猫只能存在于观测发生的那一瞬间。问题是,方程规定有两只猫,观测只能看到一个——死的或者是活的,也就是说,原子只能有一个结果,衰变或者不衰变。用哥本哈根诠释的语言说,就是波函数叠加在观测的那一瞬随机坍缩出一个结果——衰变或不衰变,死猫或者活猫。

再解释下去就伤了科学的自尊了——科学理论所描述出来的情形只有自欺欺人的必然性,却没有客观实在性,科学理论还要依赖观测来获得客观实在性,但获得实在性之时,必然性又被牺牲掉了。在我们这个例子中,我们只能获得50%的精确度——科学家与拉斯维加斯的赌徒无异。

薛定谔终身都不承认哥本哈根派的波函数概率解释,但始终苦于找不到一个逻辑自洽的波函数客观实在的证明。终于在1957年,一个美国的物理学研究生艾弗瑞特拿出了一个方案。艾弗瑞特当时默默无闻,他本是一个化学本科生,研究生才改学的物理专业。他的导师惠勒倒是鼎鼎大名,而且是以“疯狂”而闻名。他的麾下还出了不少疯狂的学生——费曼、索恩、贝肯斯坦。当初贝肯斯坦提出黑洞热力学(后霍金发展成了黑洞辐射学说),普遍被认为是胡说八道,惠勒却说:“黑洞热力学是疯狂的,也许疯狂到了足以成立的程度。”“疯狂”在惠勒这里居然成了理论成立的杆竿!所以我们不要为艾弗瑞特理论的疯狂而诧异。

在艾弗瑞特的多世界诠释中,波函数从不坍缩。原子衰变和不衰变的波函数始终按薛定谔方程必然地展开,平行地发展,观测前后都是一样的。观测者(比如是你),在观测前也会是两个历史严格同一的你,在打开黑箱观测薛定谔猫时,你就发生了分岔——一个世界的你看到了一只死猫,证实了原子衰变方程的实在性和严格的必然性;另一个世界的你看见了一只活猫,证实了原子不衰变方程的实在性和严格必然性。

在多世界诠释里,观测者就没有了哥本哈根诠释中的特殊地位,他只是严格必然性的一个旁观者,波函数不依赖于观测者而独立存在和发展,观测只是拍摄到了波函数某一瞬间的照片。

可是我们真的要无限崇拜艾费瑞特坚强的心灵,别说是创造这个理论,就算按照这个理论的逻辑想下去人都要发疯——至少我感觉是这样。不要去想整个世界,就想你自己,你的一生该有多少“分岔”呐!当初考大学时在一道30分的数学题上卡了壳,在最后的5分钟里,一个你突然想到了思路并解了出来,于是你考上了大学进了繁都闹市,成了城里人,一路坦途;另一个你却始终想不出,高考落榜,留在农村默默耕耘,就算进城也是个农民工。直到现在你还将面临无限多的分岔,总之你能想到的任何一种符合物理规律的可能性都必然会发生,只不过是发生在不同的世界。再把别人,别的因素综合考虑进来呢?别想了,我现在就已经疯掉了!

那得要有多少个平行的世界呀?理性就有这个好处,只要冲出经验的牢笼,你想要多少个就给你多少个——无限多!后来有人计算出来,离你最近的一个世界,距离你大约是101029次方(千万不要尝试把这个数展开,否则又要疯掉一次!)光年!这就已经远远超出了人类最远的观测距离——137亿光年(宇宙大爆炸到现在的时间确定的光程),因此无限多个你之间不会有相互作用,另一个世界做农民工的你不会向在这个世界里百万富翁的你借钱。

无法用观测来检验,多世界诠释岂不是一个没有科学意义的形而上学?非也。一则这个诠释有非常逻辑自洽的数学方程,在数学形式上是无懈可击的,因此在逻辑形式上是有意义的;其二,间接的模拟实验也不是完全没有可能,已经有科学家提出了实验思路,因此也有经验意义。关于什么是科学的“意义”?我恐怕又得在后面专门介绍了。

也就只有惠勒这种疯狂的教授才能容忍艾弗瑞特这样疯狂的学生了,他为这种疯狂的创意兴奋不已。鉴于艾弗瑞特的论文过于深奥,惠勒还专门为学生的论文写了一篇圈内的“科普”文章。但惠勒的作用只是使艾弗瑞特“臭名远扬”,共同体对这种异端邪说嗤之以鼻。艾弗瑞特很沮丧,毕业后就弃学从政,到五角大楼当了一个技术官僚,把五角大楼的电脑程序几乎改写了一遍。之后又弃政从商,成了一个百万富翁。

但科学共同体内永远有异类。既然艾弗瑞特的多世界理论已经“臭名远扬”,就拦不住有人“如蝇逐臭”。经过后人的努力,这个理论居然也逐渐被科学家们接受。在1997年在英国召开的一次量子力学会议上,向与会的90名科学家调查,居然只有8人坚持哥本哈根诠释,30人接受多世界诠释,还有50人主意不定。到了1980年代,随着形势的发展,使已经成了百万富翁的艾弗瑞特动了重回物理圈的念头。可惜已经晚了,他因抽烟过度于1982年因心脏病而英年早逝。

说实话,我这颗脆弱的心脏是很难接受这个怪异的理论的。贝尔是个科学实在论者,按说多世界理论的信念是符合他的,但他说:“如果我们可以严肃地对待多世界理论,那么我们就很难以再严肃地对待其他理论了。”

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