多世界：量子力学送给科幻的一个礼物 

科学外史专栏 2011-05-31 01:01:00 阅读1279 评论6   字号：大中小 订阅

载《新发现》杂志2011年第6期

科学外史（60）

 

多世界：量子力学送给科幻的一个礼物

 

江晓原

 

Nature杂志为“多世界”理论提出50周年而出的纪念特刊

 

时空旅行：曾经的玄幻主题

　　早在1895年，威尔斯（H. G. Wells）就在小说《时间机器》（The Time Machine）中想象利用“时间机器”在未来世界（公元802701年！）的历险。这就是时空旅行（或时空转换）。在当时，虽然“机器”让这一想象有了一点“科学”色彩，但时空旅行这个概念本身还没有任何科学依据，就像今天那些玄幻小说中的所谓“穿越”——我们可以理解为“回避了科学手段的时空旅行”。

　　有趣的是，这一年正是爱因斯坦考大学名落孙山的那年——他不得不去读了一年“高考复习班”，次年才上了大学，相对论还要等待10年才能问世。而正是相对论，使得“时间机器”从纯粹的幻想变成了有一点理论依据的事情，因为不少科学家先后在爱因斯坦场方程中找到了允许时空旅行的解。

　　不过，如果人能够时空旅行回到过去，就会在理论上产生一个严重问题。这个问题有多种表述，而展示得最为生动者，当数电影《未来战士》（Terminator，1984～2009）系列。影片中约翰派遣自己的属下回到过去，这位属下还成了他的生父，这岂不是说，约翰的出生是约翰自己后来安排的？本来在我们的常识中，因果律是天经地义的——任何事情有因才会有果，原因只能发生在前，结果必然产生于后。但是人一旦可以回到过去，因果律就要受到严峻挑战。这样的事情，在物理学上被称为“时间佯谬”。

　　这确实是一个难题。尽管已经在爱因斯坦场方程中找到了允许时空旅行的解，但“时间佯谬”还是成为时空旅行回到过去的一个有力反证，一些物理学家拒绝进行任何涉及时间机器的研究，也与这一点有关。可以这么说，只要“时间佯谬”不解决，时空旅行就仍然只是一个缺乏足够科学依据的玄幻主题。

 

爱武烈特的归来

　　解决“时间佯谬”的方案出现在1957年。这个方案是量子力学带来的。

　　在量子力学的发展中，自从“薛定谔的猫”搅和进来之后，就在下面这个问题上将物理学家逼到了墙角：量子系统可以是若干个量子态的叠加，可是测量行为只要一实施，量子态的叠加就会“坍缩”到某一个明确的（被观测到的）经典态——这就是所谓的“量子力学的哥本哈根解释”；那么，造成这种坍缩的原因到底是什么呢？

　　1957年，一位名叫爱武烈特（Hugh Everett）的年轻人，在博士论文中，针对量子测量中波函数坍塌的疑难，提出了“量子力学的多世界解释”（many world interpretation，常被缩写为MWI），他认为，在量子测量过程中，其实并无所谓的“坍缩”，所有可能的态是共存的，具有同等的实在性，所有的可能性其实都实现了，只不过每一种可能性实现在一个个不同的宇宙中了。而且这样的宇宙有无穷多个。

　　爱武烈特的想法虽然得到导师惠勒（J. Wheeler）的推荐，但在物理学界反应冷淡。爱武烈特曾在1959年去哥本哈根见玻尔（Niels Bohr），玻尔当然对自己的“哥本哈根解释”坚信不疑，而对爱武烈特的“多世界解释”不屑一顾。爱武烈特心灰意冷，逐渐退出了物理学界。不过塞翁失马焉知非福，他后来在商界成功，成了百万富翁。

　　到了20世纪70年代，德威特（B. S. De Witt）重新发掘了“多世界”理论，并在物理学界大力宣传，MWI逐渐广为人知——甚至出现了“爱武烈特主义”（Everettism）这样的词汇。爱武烈特也曾有过重返物理学界的想法，不幸他1982年死于心脏病，只好万事消歇。“多世界解释”现在据说已坐二望一，有对“哥本哈根解释”后来居上之势——例如它得到了史蒂芬·霍金的支持。

 

多世界：墙里秋千墙外道

　　苏东坡《蝶恋花·春景》词下阕云：“墙里秋千墙外道。墙外行人，墙里佳人笑。笑渐不闻声渐悄，多情却被无情恼。”描述了墙外行人与墙里秋千少女之间那种微妙的心理活动。如将这种描述移用来隐喻物理学界和科幻界对“多世界”理论的感受，或许不无某些暗合之处。如果说随着爱武烈特退出物理学界，他发出的“多世界”笑声就此“笑渐不闻声渐悄”的话，那么科幻界的“墙外行人”却为此浮想联翩。

　　“多世界解释”后来被以时空旅行为主题的作品广为借鉴。在莫考克（M. Moorcock）的系列小说Eternal Champion Stories中，已经出现了“平行宇宙”（multiverse，有时也用parallel universes、parallel worlds等，所指相同）的名称，它被后来的小说家们广泛使用。而图解“平行宇宙”最直观的电影，当数《平行歼灭战》（The One，2001，中文译名有《救世主》、《宇宙追缉令》、《最后一强》等）。

　　按照影片中的故事，我们生活在“自己的”宇宙中，但是宇宙并不是只有一个，而是有125个，这些宇宙就被称为“平行宇宙”。人类除了在自己生活于其中的宇宙之外，每个人在其余的宇宙中也存在着。对每个个人来说，其余宇宙中的“自己”就是自己的“分身”。利用虫洞（wormhole），可以在这些平行宇宙之间往来。人类已经有能力制造虫洞，可以随意开启和关闭虫洞。但按照当时的法律，个人并不能在平行宇宙之间随便往来，这种时空旅行受到时空特警当局的严格管制。

　　德威特后来在阐述“多世界解释”有一段名言：“宇宙的任何一个遥远的角落的任何一个星系中任何一个星球上发生的任何一次量子跃迁，都将把我们这里的世界分裂成自己的亿万个拷贝。”从这句常被引用的话中，我们甚至已经可以依稀看见“分身”的影子。

　　“多世界解释”在时空旅行幻想故事中的“科学”作用，就是消除“时间佯谬”对传统因果律的挑战：通过时空旅行回到过去干预历史的结果，只是展现了“另一个”世界（或历史）而已。例如《未来战士》中约翰派遣自己的属下回到过去，和他的母亲相恋而成为他的生父，一个新的历史分支随即产生，这个分支中，这名属下是约翰的生父；而与此同时，原有的那个历史分支也平行存在着，在那个分支中，这名属下并不是约翰的父亲。

　　不过，“多世界”虽然有一个高贵的量子力学“出身”，这个高贵的出身为许多幻想作品披上了华丽的“科学”罩袍，但它自身却还没有在物理学殿堂中取得固定席位，因为它还无法跻身于“科学理论”之例。要成为“科学理论”，必须得到实验或观察的验证，或者至少在理论上指出这种验证或观察的路径，但我们目前还无法验证“平行宇宙”的存在。如果这些宇宙之间能够沟通和交往，那或许就有了某种验证或观察的路径，但目前这种沟通和交往也只存在于幻想中。所以连惠勒最后也不得不承认，爱武烈特的观点只能提供一些“想法”——实际上是“猜想”。

　　也许，“多世界”就是物理学“墙里佳人”的一阵笑声，笑声随着春风飘散，无意中成为她们留给多情的科幻“墙外行人”的一件礼物。