多世界的幻想:最奇特的科学理论其实不自洽

多世界诠释是量子力学诠释中的一种,最初由美国物理学家休·埃弗里特上个世纪50年代年提出,假定存在无数个世界以此来避免所谓的波函数坍缩。但这一理论如今更多的是因为它的科幻色彩而出现在普及读物中,为什么物理学家今天对此并不感冒?其中一个关键的问题在于,人们对量子行为的概率解释,并不能自洽的引入到多世界诠释中。

作者:Philip Ball

翻译:一二三

宇宙不断地分裂成不同的现实世界,这一想法不可思议地受到了科学、哲学和通俗文学的热情接纳。但是,这个仅针对于量子力学中独特问题而提出的诡谲的解决方案根本不是优雅的科学。我们不仅应该拒绝它奇怪的要求,同时也是时候寻找另一条解决路径了,Philip Ball写道。

“另一个世界”的想法拥有无法抗拒的诱惑力。不管是狄更斯的《圣诞颂歌》,弗兰克·卡普拉(Frank Capra)的《生活多美好》(译者注:1946年上映的经典励志电影),或者最近阿莱克斯·加兰德(Alex Garland)导演的迷你剧《开发者》(Devs)中量子计算出的平行宇宙,那些我们能够想象出可能真实存在,却没有变为现实的世界,为我们提供了一个释放内心恐惧与幻想的舞台。就像美国诗人罗伯特·弗罗斯特(Robert Frost)笔下的旅行者在森林中遇到的分叉小路,我们常常想知道那条没走的路会把我们带往何处。

那么就不难理解量子力学的多世界诠释(Many Worlds interpretation, MWI)为何有如此强大的吸引力。尽管大多数物理学家对这一想法不屑一顾甚至报以揶揄,但它却总是被物理科普人和他们的受众热切地接受。然而,要搞清楚某些支持者到底是不是真的接受这一想法是很困难的。我相信一些物理学家发自内心地认为它是一个优美方案,能够解决以“烧脑”著称的量子力学的基本问题,我也对其中一些理由感同身受。但当他们开始大谈“量子兄弟”(想必也有姐妹吧,虽然多世界诠释只有少数女性支持者);或者利用“量子应用”去做艰难的选择,就是通过触发某种量子测量,并确信这个过程中整个世界也一分为二了,而他们在另一个世界中做了另一个选择;这时候我不禁想问,抛去复杂的哲学讨论,他们是否只是在这份幻想中自嗨。

为什么会有人认为量子理论揭示了这样一幅图景:数量庞大到难以想象,甚至可能是无穷多的其他世界不断地从我们自己的现实世界中分离出去?最近圣母大学哲学教授Daniel Nolan在一篇文章里解释说,上述图景来源于量子理论概率性的本质。正如德国物理学家马克思·玻恩(他太多的实质贡献都没得到应有的赞誉)在上世纪20年代提出的,量子力学似乎有一个不同于任何其它科学理论的怪异属性。一般来说,它似乎不能预测一个量子事件的观测结果,而只能得到所有可能结果的概率。对于一个经典物体,比如一个网球或者一艘宇宙飞船,在给定一些具体条件的情况下,牛顿运动方程能准确告诉我们该物体会沿什么样的路径运行。但是向着一个开有两条狭缝的屏幕上发射光子,量子力学只能提供光子走某条路径的概率。

只有当我们测量一个量子事件的结果之后,才能得到一个确切的答案。比如说某事件结果为A或B的概率是50:50,一旦我们观测它,它就会以某种方式变成其中一个结果(100%的概率)。这有点像扔硬币,扔之前有50:50的机会得到正面或背面朝上,但只要我们扔了且看了,结果要么是100%正面朝上,要么是100%背面朝上。我们可以确认一开始50:50的概率是对的,方法就是通过重复试验——扔很多次,我们会发现,平均来说得到正面或反面朝上的次数是一样的。

在大多数科学理论中,概率性的预测表明我们缺少关于某些细节的信息。如果我们一开始就知道硬币中每一个原子的位置与速度,扔硬币手的运动,空气流动等等,我们应该能完全确定地预测结果(实际中不可能,但理论上可以)。然而量子力学中概率是基本的:该理论似乎坚持认为,不管测量什么,我们所能做到最好的也只是预测得到不同结果的概率。

于是问题便成了到底是什么将事件发生前的概率性变为发生后的确定性。似乎这里面有一些突变,量子力学自己都无法给出解释。1924年薛定谔给出描述量子粒子行为的方程中不包含这一转变。这一方程使用了一个被称为波函数的数学构造来描述粒子及其行为(因为它和描述经典波的方程类似)。正如玻恩展示的,波函数可以被用来计算概率,即我们测量粒子属性——比如它在空间中的位置,解方程得到某特定结果的概率。但薛定谔方程表现出这些性质总是连续变化的,而测量似乎总是导致突然跳变到一个确定值:这就是Nolan所说的波函数的“坍缩过程”。

量子力学本身没有对波函数坍缩给出解释——它需要以某种特定的方式人为加入,就像1930年代匈牙利数学家冯·诺依曼首先做的那样。这很尴尬,也不能令人满意——当然,数学上没问题。可是,光滑连续的概率波在现实世界中如何转变成独特的观测值,我们仍毫无头绪。为了避免这一问题,休·埃弗里特(Hugh Everett)于1957年在普林斯顿大学的博士论文中提出了“多世界”诠释。埃弗里特说道,如果根本就没有从所有可能中选出某一结果的波函数坍缩呢?相反,它们可能全部都发生了,只是处于不同的平行世界?在此图像中,当光子到达双狭缝时,在一个宇宙中它穿过某一个狭缝,而在另一个宇宙中穿过另一个狭缝。

休·埃弗里特(Hugh Everett,1930-1982)

可这样的话,每个宇宙中都必须有一个观察者,可以各自看到一个结果。换句话说,一切都分裂了:仪器、研究人员、实验室、宇宙。埃弗里特不愿在论文中过多提及现实人的“加倍”(而不仅仅是粒子数加倍),但是这个概念就根植在理论中。它在1970年代得到了扩展,现在“量子自我”的增殖扩散已经成为了多世界诠释科普演讲中典型的吸睛元素。

与此同时,埃弗里特留下的一些悬而未决的问题,特别是“分裂”是如何发生的,已经得到澄清。现在物理学家已经知道,在某些宏观的测量设备中,将量子事件(例如发生在粒子上)记录为可观察结果的过程涉及到一种称为退相干的现象,粒子的量子态与它所处环境中粒子的量子态混合在一起( “纠缠”)。多世界诠释的支持者们认为,埃弗里特提出的分裂是一种“拆解”,它是由退相干引起的,退相干导致事件发生前宇宙中固有的两个(或更多)可能结果分裂,并且不再相互影响。然后,它们在一切意义上都分别处在不同的宇宙中,共存于“在同一空间中”,却彼此“遗忘”。

由此,多世界理论的支持者们认为波函数坍缩问题就不存在了。不过作为代价,我们必须接受宇宙正在不断瓦解为平行现实。

对于许多人来说,这个代价过于奢华了。首先,从定义上讲,这些平行世界永远无法观察到,因为只有因果独立于当前世界才能真正称为其他世界。相反,如果两个结果没有退相干,仍能够相互作用,它们就能“干涉”——这是一种量子行为的典型表现。况且,有人问,我们如何接受一个永远无法被证明为真的命题作为真正的科学?多世界理论支持者回答说,他们理论的正确性就蕴含在薛定谔方程本身之中,应该受到质疑的是量子理论的其他诠释,这些诠释被迫在方程中添加一些内容,以解释该方程是如何“破裂”的从而给出某一观测结果。

换句话说,尽管有人反对“多世界解释”,认为它是一门糟糕的科学,因为它对宇宙过于随意挥霍了;多世界理论支持者却说,就理论的前提假设而言,它实际上是最简明的解释。但事实是,两种立场都不具有有力的论据。

一个对多世界诠释更严肃的反对是,它没有解释概率是如何进入量子力学的——这些概率满足从波函数中提取预期结果的玻恩定则。如果事实是所有结果总以100%的概率发生(在这个世界或其他世界中),我们又怎么能说结果A的概率为50%(但我们可以通过实验验证)?多世界支持者宣称,这些概率应该理解为量子分裂中各分支的“权重”,Nolan称其为“强度”。但这本身并没有多大意义。比方说,如果结果A和B的概率分别为75%和25%,那么这并不意味着A宇宙比B宇宙更真实,更绝对或是更robust。

多世界支持者争辩说,我们应该将这些表面上的概率理解为分配给每个可能世界中最终结果的预期。换句话说,它们是描述个人经历的主观概率,即使“我的一个版本”将以100%的概率出现在每个宇宙中。这种想法有多种变体:有人断言,玻恩定则本身可以从理性观察者如何押注各个量子结果的主观观念中得出;虽然观察者知道(如果“多世界”观点正确)她的不同版本肯定会出现在所有可能的世界中,但每个版本只会意识到其中一个,并且她可以在量子分裂之前对“她”稍后将观察到的结果下注。

但这正是多世界诠释破灭的地方!因为在试图消除波函数坍缩的困境时,这个理论被迫强加了个体——做出有意识决定的人!——作为可以“解释”粒子如何表现的要素。这样它看起来就不再那么简洁了,不是吗?实际上,情况还要比这糟得多。因为,MWI甚至剥夺了我们谈论个人的能力——有意义地谈论“你”或“我”将观察到什么,很少有多世界支持者愿屈尊考虑这个问题。简而言之,没有任何有意义且明确的方法能将量子“分裂”之前的“你”与“分裂”之后的“你”联系起来。我们可以想象这意味着什么,一些物理学家甚至试图通过大谈《星际迷航》里的传送器或克隆人等来捍卫这一观念。但是,以哲学的清晰性和忠实性来看,分裂的自我给未来下注这样一幅图景是不自洽的。确切地说,MWI自己完全消除了那些让它看起来有意义的东西。

MWI宣传自己是波函数坍缩谬误的“解毒剂”,这也是一条“红鲱鱼”(译者注:即转移话题谬误,就是把一个不相干的话题,按一定技巧穿插进来,把对方注意力和讨论方向转移到另一个论题上,从而赢得论战)。因为现在整个多世界概念都是多余的:仔细考虑一下对量子系统进行测量时会发生什么,我们将会发现“坍缩”不再是一个有用的概念。相比之下,现在有更好的图像,描述理解量子系统的各种内禀可能性是如何通过与环境相互作用而缓慢地朝向某一个结果倾斜,最终会导致退相干并给出确定结果。多世界支持者似乎热衷于坚持这个过时的坍缩“稻草人”,但量子物理学的研究继续向前迈进。这并不是说我们可以解释所有问题,但现在看来,这个关于不断扩散的宇宙的有趣、富有创造力且大胆的建议似乎不太可能有大帮助。是时候走另一条路了。

本文译自Philip Bal. The many worlds fantasy

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