多元宇宙到底有多大

參考消息網(wǎng)5月15日?qǐng)?bào)道據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》周刊網(wǎng)站4月9日?qǐng)?bào)道，根據(jù)量子力學(xué)的一種新解釋?zhuān)嘣钪婵赡鼙任覀冋J(rèn)為的要大得多，這種解釋描述了由我們每一個(gè)決定所創(chuàng)造的平行宇宙的多重領(lǐng)域。

量子力學(xué)的理論分歧

量子力學(xué)的核心是波函數(shù)，這是一個(gè)眾所周知的抽象數(shù)學(xué)工具，它非常擅長(zhǎng)描述光子、電子和其他量子領(lǐng)域的行為。但是，波函數(shù)到底是什么呢？經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的爭(zhēng)論，物理學(xué)家在如何實(shí)現(xiàn)從數(shù)學(xué)邁向有形物理世界上仍然存在分歧。

在被稱(chēng)為哥本哈根學(xué)派詮釋的最傳統(tǒng)觀點(diǎn)中，波函數(shù)在數(shù)學(xué)上描述了物體在被“觀察”之前的所有可能狀態(tài)，這種行為通過(guò)“坍縮”波函數(shù)使物體處于一種明確的狀態(tài)。

例如，在“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)中，一只貓被放在一個(gè)盒子里，當(dāng)原子衰變時(shí)，盒子里會(huì)充滿毒氣。由于原子的行為是量子態(tài)，當(dāng)盒子尚未開(kāi)啟時(shí)，貓的波函數(shù)同時(shí)包含了它活著和死了的狀態(tài)。當(dāng)觀察者打開(kāi)盒子時(shí)，波函數(shù)坍縮，貓要么是死的，要么是活的，只有一種狀態(tài)，另一種可能性即刻消失。從那時(shí)起，它的行為就完全是非量子的，或者說(shuō)是經(jīng)典的。一旦被觀察到死亡，貓就不會(huì)再活過(guò)來(lái)。

一只既死又活的貓可能讓人難以接受，但物理學(xué)家休·埃弗里特在20世紀(jì)50年代提出的量子力學(xué)的另一種觀點(diǎn)有著更驚人的含義。在多世界解釋中，波函數(shù)不會(huì)坍縮成一個(gè)確定的經(jīng)典狀態(tài)，因?yàn)樗拿總€(gè)量子狀態(tài)——許多平行世界中的一個(gè)，已經(jīng)是完全真實(shí)的了。當(dāng)你打開(kāi)盒子看到一只活著的貓時(shí)，另一個(gè)世界的另一個(gè)你卻發(fā)現(xiàn)貓已經(jīng)死了，觀察行為產(chǎn)生了兩個(gè)獨(dú)立的世界。

無(wú)論你喜歡哪種觀點(diǎn)，一個(gè)懸而未決的大問(wèn)題仍然存在：我們所認(rèn)為的經(jīng)典行為是如何適用于整個(gè)宇宙的？

“所有的恒星、星系、行星、生命，都始于非常、非常早期宇宙中的量子波動(dòng)。隨著宇宙的膨脹，這些東西最終變成了經(jīng)典世界，”加州大學(xué)戴維斯分校的阿爾薩蘭·阿迪爾說(shuō)，“量子理論確實(shí)經(jīng)過(guò)了成熟的測(cè)試，所以我們認(rèn)同，它是近似正確的理論，但我們想了解經(jīng)典世界是如何從中產(chǎn)生的。”

“觀察者”的定義難題

哥本哈根解釋和多世界解釋的一個(gè)問(wèn)題是，究竟什么才算“觀察者”，這在早期宇宙中尤其是個(gè)問(wèn)題，當(dāng)時(shí)什么都沒(méi)有，也沒(méi)有人可以進(jìn)行觀察。為了回避這個(gè)問(wèn)題，阿迪爾和他的同事們開(kāi)始采用一種不那么以人類(lèi)為中心的想法，即觀察粒子的集合，每個(gè)粒子的行為取決于系統(tǒng)中所有粒子的能量結(jié)構(gòu)。

“我們是大而溫暖的物體，習(xí)慣于與其他大而溫暖的物體相互作用，這些物體有具體定位，我們圍繞這些東西構(gòu)建了一些科學(xué)故事。但你也可以反過(guò)來(lái)說(shuō)，擺脫了我們?nèi)祟?lèi)的視角，宇宙實(shí)際上給予我們的是最原始的形式，就是一些能量結(jié)構(gòu)。”洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)成員佐伊·霍姆斯說(shuō)。

由于不需要考慮不同的“觀察者”，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種算法，可以識(shí)別將這些粒子系統(tǒng)劃分為子系統(tǒng)的方法。任何子系統(tǒng)都被認(rèn)為是一種堅(jiān)實(shí)的世界，只要子系統(tǒng)之間的相互作用導(dǎo)致其中一個(gè)子系統(tǒng)成為經(jīng)典世界——實(shí)際上就是打開(kāi)薛定諤思想實(shí)驗(yàn)盒子的更通用版本。“你可以把地球和仙女座星系的一部分放在一個(gè)子系統(tǒng)中，這是一個(gè)完全合理的子系統(tǒng)。”阿迪爾說(shuō)。

這一新視角揭示了無(wú)數(shù)新世界領(lǐng)域，超越了簡(jiǎn)單的生與死的世界，研究人員將其稱(chēng)為多世界理論。要理解其中緣由，就想想決定早餐是喝咖啡還是喝茶的量子版本。在哥本哈根解釋中，你做了一個(gè)決定，波函數(shù)坍縮了。如果你再?zèng)Q定吃吐司還是麥片，第二個(gè)波函數(shù)也坍縮了。所有這一切都發(fā)生在唯一存在的宇宙中。

但在多世界的解釋中，想喝咖啡的你和想喝茶的你都存在于平行世界中，每個(gè)世界都會(huì)根據(jù)你決定吃什么而再次分裂成兩個(gè)世界。

在多世界理論中，你和早餐之間的互動(dòng)產(chǎn)生了一個(gè)由許多世界組成的領(lǐng)域，但更多的世界是從你的世界中不那么直觀地劃分所形成的子系統(tǒng)，比如你使用的杯子和某個(gè)遙遠(yuǎn)的天體，或者更奇怪的是你的左臂對(duì)應(yīng)著一個(gè)子系統(tǒng)而你的右臂對(duì)應(yīng)著另一個(gè)子系統(tǒng)。有了更多的視角，每一個(gè)視角都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新世界領(lǐng)域，其凈效應(yīng)正在擴(kuò)大埃弗里特理論中已經(jīng)相當(dāng)龐大的多元宇宙。

多元宇宙的待解之謎

南加州大學(xué)多恩西夫分校的保羅·扎納爾迪說(shuō)，新理論在分割現(xiàn)實(shí)的方式之間實(shí)現(xiàn)了“一種操作民主化”，因?yàn)樗鼪](méi)有僅僅因?yàn)樗鼈兤婀只蜻`反直覺(jué)而禁止任何子系統(tǒng)的分裂，他認(rèn)為這是令人信服和滿意的。但他說(shuō)，研究人員用來(lái)發(fā)現(xiàn)各種子系統(tǒng)劃分的算法仍然包含一些假設(shè)，比如子系統(tǒng)需要多長(zhǎng)時(shí)間才能成為經(jīng)典，因此還有更多數(shù)學(xué)探索和完善這個(gè)理念的空間。

馬里蘭州約翰斯·霍普金斯大學(xué)的肖恩·卡羅爾說(shuō)：“這是一個(gè)優(yōu)秀、嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)用的貢獻(xiàn)，有助于越來(lái)越多的文獻(xiàn)研究如何從量子力學(xué)理論框架中提取出類(lèi)似于我們所體驗(yàn)的經(jīng)典世界的東西。”

卡羅爾還研究將量子系統(tǒng)劃分為子系統(tǒng)，但他發(fā)現(xiàn)，與阿迪爾、霍姆斯和他們的同事提出的眾多領(lǐng)域相比，創(chuàng)造適當(dāng)經(jīng)典世界的有效子系統(tǒng)要少得多。他說(shuō)，這可能是因?yàn)橛胁煌姆椒▉?lái)量化一個(gè)系統(tǒng)何時(shí)非量子到足以被認(rèn)為是經(jīng)典的。

雖然這些問(wèn)題仍有待解決，但擴(kuò)大的多元宇宙對(duì)我們理解現(xiàn)實(shí)究竟意味著什么，即使對(duì)研究小組來(lái)說(shuō)，也仍然不清楚。阿迪爾說(shuō)，他和他的同事目前對(duì)他們迄今為止所發(fā)現(xiàn)的“本體論結(jié)論持不可知論態(tài)度”。霍姆斯說(shuō)，當(dāng)她感到懷疑時(shí)，她擔(dān)心他們的工作類(lèi)似于在云朵中尋找形狀，而不是反映現(xiàn)實(shí)。（編譯/文怡)