淺析量子理論引發的宇宙觀爭議

吳家毅

摘 要：19世紀末20世紀初以來，新興的量子理論和相對論重塑了物理學家的時空觀和宇宙觀。從薛定諤到維格納，從馮·諾伊曼的定理到霍金的時間鐵軌，物理學已不再局限于解釋表面現象，而是可以探討歷史運行和改變歷史等深刻而樸實的理論問題。

關鍵詞：量子坍縮 宇宙觀 多歷史 多世界

引言

科幻小說《時間狩獵》描述了一個男人一時難以捉摸的世界，主人公當選總統后參加了時間狩獵公司的時間狩獵活動，回到過去獵殺一只恐龍。但是主人公由于突發情況離開了公司限定的范圍，并不小心踩死了一只蝴蝶從而改變了歷史——回到現實后發現自己在總統選舉中落敗了。對這個故事的解釋便觸動了現代物理學中非常棘手的世界觀問題。自從20世紀初量子理論誕生以來，這個問題便一直困擾著物理學家和哲學家們。后來其與相對論的綜合更是讓人迷惑不解，多種派別林立的局面形成。本文簡要地一一說明這些觀點，以便讀者參考。[1]

一、緒論

1.基礎理論準備

（1）量子物理介紹

量子物理學是一門產生于20世紀初的近代物理科學。通俗地講，它研究的是微觀粒子的行為和性質。了解這門學科，首先要明確的就是微觀粒子尤其是在高能的情況下，表現出許多與經驗世界的宏觀物體不同的特點，產生一些難以想象的現象。

19世紀末20世紀初，物理學界難以解釋黑體輻射波長分布的規律。瑞利金斯公式和思維公式都只能解釋實驗結果的一部分。1900年，普朗克提出經驗公式：

該公式很好地與實驗結果相符合。緊接著，他在解釋該公式時提出了著名的量子假設：“物體不能連續地發射或吸收能量，而必須一份一份地發射或吸收。”即著名公式：

E=nε

E表示物體發射或吸收的能量，ε表示這個最小的一份一份的能量，n是整數。

ε=hυ

υ表示頻率，h是普朗克常數。

后來，德國的物理學家海森堡提出了不確定性原理（又稱測不準）原理，指出我們不能同時精確地測定一個粒子的位置和動量。簡單說來，我們越清楚一個粒子位置在哪，越不知道它的速度；越精確地知道它的速度，越難以準確指出它的位置（這個表述是不完備的，不過入門者可以粗略這樣認為）。位置和動量的不確定性的積也受到普朗克指數的限制。

（2）簡單地狹義相對論

19世紀末20世紀初，很多人認為光的運動需要介質“以太”，這是一個慣性參與系適用于牛頓運動定律。不妨說，它適合我們經驗。1887年，邁克耳孫與莫雷兩人在測定相互垂直的兩束光的速度時發現它們一樣（好比迎面而來的汽車和從你面前經過的汽車視向速度一樣）極大地沖擊了這個觀點。1905年，愛因斯坦提出了狹義相對論，徹底放棄了以太的觀點，提出了光速不變原理。一般讀者應該知道的是，物體速度越大，對它加速就越困難。假設有物體達到光速，那它將無法被加速。這也就是我們平時所說的“光速無法超越”的解釋。其實，稍微準確一點來說，任何能傳遞信息的物體速度不能超過光速。對于不能傳遞信息的東西，讀者可以參考學習“德布羅意波”。[2]

2.一些實驗現象

雙縫干涉實驗：該實驗現象可以簡述為當點光源發出的光經過兩條狹縫時，會在狹縫后面的屏幕上產生明暗相間的條紋。

我們重點來看一些變體實驗。愛因斯坦在接受普朗克的量子假設后，把光的最小能量稱為“光量子”，后來稱為光子。一束光中含有大量光子。如果用少量光做雙縫實驗會怎樣呢？科學實驗后發現，即使是每次釋放一個光子，經過長時間曝光后也會看到明暗相間的條紋。[3]

此時每個光子究竟是如何到達屏幕的呢？在雙縫擋板后放置檢測器，可以清楚地看到光通過雙縫時的行跡。但是，令人困惑的是干涉條紋消失了。如果不用檢測器進行檢測則又看到了明暗條紋。但此時確實不知道單個光子究竟通過了哪條狹縫。但是一經檢測條紋馬上消失。而且，光子在兩條狹縫出現的頻率是驚人的1：1，這一現象叫做量子坍縮。

二、哥本哈根解釋

量子理論產生后，關于它的數學形式，尤其是量子坍縮過程的描繪，主要分為兩派。以波爾為代表的物理學家借用數學中的矩陣，描述了粒子的運動情況。以物理學家薛定諤為代表的另一派，使用薛定諤創立的波函數來解釋粒子的行為。后來，丹麥的物理學家波恩證明了這兩種表述在數學上是等價的。兩者相互融合，經過幾十年的發展最終形成了哥本哈根學派中的一個重要部分。即量子理論的哥本哈根解釋。在此處我們可以說成“世界觀上的哥本哈根解釋”，簡稱“哥派”。

哥派解釋，我們可以這么說，認為世界的面貌是由“觀測”這一行為決定的。薛定諤用波函數ψ（讀“斐”，希臘字母）描述了粒子的行為，并指出，在觀測之前單個粒子并沒有確定的位置和動量，它只能被一個彌散開來的波函數所描述。當觀測行為發生之后，它就按照概率分布情況隨機獲得了其中一組狀態參數，并按照這一特點出現在概率范圍的一個隨機的地方。而這一現象的出現都是一個原因：觀測。

假設你擲一個硬幣，我來捂住。捂住之前你不知道它是正面朝上還是反面朝上，然后打開手，看到是正面朝上。哥派解釋認為，在打開捂住硬幣的手之前，硬幣是以一種模糊的隨機狀況存在的。如果你一直不看它，它就一直維持這個混沌狀況。一旦你打開手，它就立即以正面反面都是1/2的概率隨機選擇一種狀態出現在你面前，而且不改了，你看到的是什么就是什么。也可以這樣說，在觀測之前“正反”這個性質還沒出現，觀測之后則立即隨機選擇了一種。當然，這只是個例子，這些解釋本不適用于宏觀世界。

現在我們來解釋雙縫實驗中的量子坍縮。假設不使用檢測器，光子就是一股波函數。它運動到屏幕上便形式了明暗條紋。既不能說它通過了左縫也不能說它通過了右縫，甚至連說它運動了多遠都是不被允許的。此時它根本不具有“通過哪個夾縫”這個性質，而處在兩者的疊加態。觀測之后，它在左右兩種狀態中隨機選擇了一種，從而具有了明確的狀態。注意，確定的狀態表示它以確定的路徑運動，自然也就沒有了明暗條紋。

顯然，在這種理論下，歷史只有一個，未來也只有一個。之所以要這么說就是因為下文還要提到多歷史和多世界的宇宙觀。哥本哈根解釋是非常傳統而且容易被理解的。世界在人們一次又一次的觀測中完成了一次又一次的坍縮。這些坍縮書寫了歷史，把我們的世界塑造成了現在的樣子。同樣地，現在的世界正在經歷著無數的量子坍縮，它們綜合起來，把我們推向未來。[4]

哥派解釋被認為是經典解釋已有多年，不過不得不指出的是人們對它還有不少疑問。

如果世界的推手是觀測者的話，那么把觀測者換成機器結果又會怎樣？試想，假如你用一個照相機對著雙縫，把它連在一臺電腦上，做完實驗后觀看電腦錄像，結果如何？不難看出，這里的照相機跟前文的檢測器沒有什么區別。只不過檢測器要人實時觀察，而照相機可以看照片。其實，這里所寫的就是上世紀中期的數學家、計算學家馮·諾伊曼所研究的。他證明了假如機器對量子坍縮進行了觀測，那么波函數的范圍也擴展到機器。也就是說，機器和那個被觀測的粒子就立即處于同一個不確定性之中。直到人們觀測了機器，它們便一起發生了坍縮，而成為確定的狀態。

可以看出，這里強調了觀測者是一個人。人和機器的區別就在于人具有意識。那么把觀測者換成是貓或者狗行不行呢？物理學史上有個非常著名的實驗——薛定諤的貓。把貓置于密閉的箱子中，箱子中有一個放射性的粒子，隨時可能發生衰變。一個監視裝置與一個毒氣裝置相連。后者在粒子衰變后放出毒氣把貓毒死。那么，此時的觀測者成了貓。不過，在我們打開箱子之前，誰也不知道這只貓是死是活。能夠引起波函數坍縮的只有人類意識。這一結論令很多人無法接受，這也正是哥派主張的弱點。假如人類有一天真的造出了人工智能，它是否也能引起波函數坍縮？這仍是一個未解之謎。有興趣的讀者可以參考學習另一個思維實驗——“維格納的朋友”。

三、多世界和多歷史

多世界觀（或稱多宇宙觀）和多歷史觀是兩種解釋宇宙的新觀點。它們的出現均晚于哥本哈根。這兩種觀點允許多世界或多歷史的出現，使得在如本文前言一樣的時間旅行前提下討論歷史的進程有了可能。

多世界觀點認為歷史只有一個而平行宇宙可有多個。在你觀測的時候波函數并沒有向某一方向坍縮出某一特定的結果。相反，它同時坍縮出了所有結果，從而產生了多個平行宇宙。每一個平行宇宙中都有一個觀測者，他們分別看到了不同的觀測結果。這些在不同的平行宇宙中的觀測者彼此沒有影響。每個觀測者都只看到了一種觀測結果：這樣就好像坍縮發生了似的。

用這種理論解釋雙縫實驗，當實驗檢測之后，其實就產生了兩個相互獨立的平行宇宙。觀測者只能身處其中一個，而另一個宇宙中的觀測者觀察到了不同的結果。比如一個人看見“通過左縫”，另一個看到“通過右縫”。

用多世界觀可以很好地解釋前言中的例子。主人公離開了規定區域并踩死了蝴蝶后，小說家就把主人公置于另一個平行宇宙中，這個宇宙對應的狀態是“踩死蝴蝶，落選”。在原來的那個宇宙中的狀態是“未踩死蝴蝶，當選”。主人公無法回到他原來的平行宇宙，所以產生了所謂的改變歷史的效果。

多歷史（或者稱退相干歷史）的解釋則不同。這種理論認為，世界只有一個，歷史卻有多個。當我們觀測的時候，我們只是把粗略的歷史梳理了一下。我們只是觀察到了光子通過左縫還是通過右縫，主人公當選為總統或者沒有當選為總統而忽略了其他很多細節。這樣，在這種粗略的統計下，各種細小而精確的歷史之間的聯系消失了。對于我們關注的方面來說，似乎只有那么幾種可觀測的結果。

對于前言中的故事，如果用多歷史來解釋的話，那么主人公確定是改變了歷史。原來的世界選擇了“未踩死蝴蝶”這個粗略觀測。而回到過去的主人公重新選擇了“踩死蝴蝶”這個粗略觀測。導致兩次情況下多歷史出現了不同的退相干，所以我們說，歷史真的被改變了。

多世界多歷史兩種觀點創造了很多的平行宇宙，從而避免哥派觀點對意識的討論。但是這兩種觀點創造了太多的平行宇宙，也引起了不少的反對。成千上萬難以計數的平行宇宙是否被物理定律所允許，成為了爭議的焦點。

四、隱變量理論

隱變量理論的產生是伴隨哥本哈根同時代的。持隱變量觀點的科學家可以說是比較保守，認為波函數的所謂坍縮只是由于技術不足造成的。一定是有些不為人知的變量的變化造成了粒子按照“左邊”或者“右邊”來行動。這樣隱含的變量在現有的科學技術的觀測水平下難以測量或者測量精度不高。當測量了這些變量之后，世界就說是經典的。比如說，擲一枚硬幣時，確實會有一些變量，如手的力度，空氣的流動等影響了硬幣的運動情況。我們同樣可以說是一些像手的動作這樣的微小因素影響了“量子坍縮”。隱變量就認為沒有量子坍縮的存在。各種變量共同影響下產生了類似“量子坍縮”的效果。

這種理論可以這樣解釋前言中的現象：主人公回到過去并改變歷史并不是隨機而為，這一系列的動作和行為都受著各種隱變量的影響。

寫到這里，并不難發現這種隱變量的解釋暗含了決定論的影子，而物理學是不允許決定論出現的。前些年關于這一理論的研究曾風行一時。神秘的隱變量是否真的存在也是一個問題。讀者可以參考學習“奧卡姆剃刀原理”。

結語

1.哥本哈根解釋是正統解釋，受波爾等科學家支持的，認為波函數會坍縮。觀測是坍縮的原因，引入意識是它的缺點。

2.多世界理論認為歷史只有一個，未來可以有多個，沒有波函數的坍縮。每次觀測都形成了不同的平行宇宙，引入的多個平行宇宙飽受爭議。

3.多歷史（退相干多歷史）理論認為歷史有很多，每一次的粗略觀測對歷史進行了梳理，使粗略歷史間退相干，好像發生了量子坍縮。這種理論對多個精細歷史的解釋還有待研究。

4.隱變量理論出現最早，認為沒有量子坍縮，是由于無法觀測的隱變量決定了歷史的進程。其中蘊含著的決定論被人詬病。

參考文獻

[1]R·P·費曼.物理定律的本性[M]，湖南科學技術出版社，2012.

[2]史蒂芬·霍金.時間簡史[M]，湖南科學技術出版社，2007.

[3]史蒂芬·霍金.果殼中的宇宙[M]，湖南科學技術出版社，2014.

[4]曹天元.上帝擲骰子嗎？量子物理史話[M]，北京聯合出版公司，2013.