漫威电影中平行宇宙的科学由来:从薛定谔的猫说起

2018年,漫威曾以蜘蛛侠为主角,推出过一部描绘平行宇宙的动画电影(蜘蛛侠:平行宇宙),在电影中,来自各个平行宇宙的蜘蛛侠们通过时空通道齐聚一堂,为正义而战。

平行宇宙在漫威系列电影中是个极为重要的世界观设定,据说该系列电影的下个阶段,平行宇宙的世界观将完全展开。在这个设定中,漫威英雄们可以独立地存在于多个宇宙,并且命运各不相同——有的命运坎坷、结局悲惨,有的甚至变成了大反派。

事实上,平行宇宙这个看起来颇为玄幻的设定并非漫画作者的无中生有,而是源于物理学的科学设想。

要理解平行宇宙的由来,还要从薛定谔的猫说起。

漫威电影中平行宇宙的科学由来:从薛定谔的猫说起

1935年,受爱因斯坦的启发,薛定谔发表了一篇题为《量子力学的现状》的论文,在论文的第五章,他设计了那个广为流传的试验。

在此之前,以玻尔为首的支持量子论的哥本哈根学派认为:在没有测量前,一个粒子的状态是模糊不清,处于各种可能性的混合叠加状态。

这是量子力学的基础理论,用爱因斯坦诘问玻尔的话来说,就是难道上帝会掷骰子不成?

是的,玻尔回答他,在量子力学中,上帝是掷骰子的,宇宙中的一切存在随机。

随机是吧?好的。和爱因斯坦持同一立场的薛定谔说,现在假定有一个放射性原子,按你们的随机理论,它何时衰变完全是概率性的。只要没观察,它便处在衰变/不衰变的叠加状态中,只有确实测量了,它才随机选择一种状态而出现。

现在,让我们把这个原子放在一个不透明的箱子中。然后想象有这么一个结构精巧的精密装置,每当原子衰变而放出一个中子,它就激发一连串连锁反应,最终打破箱子中的一个毒气瓶。

同时,箱子中还有一只可怜的猫。

也就是说,如果原子衰变了,那么毒气瓶就会被打破,猫就会被毒死。如果原子没有衰变,那么猫就会好好地活着。

事情很明显:当我们打开箱子观察的时候,我们要么看到一只四脚朝天的可怜的死猫,要么看到一只活蹦乱跳的幸运的活猫。

可是,当我们没有打开箱子之前,这只猫处在什么状态?

按照量子理论,在没观测前,原子处于衰变/不衰变的叠加状态中,那么同理,我们是不是也可以认为此时这只猫应该处于概率云状态,也就是处于死/活的混和态?

是的,玻尔说,当我们没有观测的时候,那只猫的确处于又死又活的状态。

非常好!那么请问:这世界上会存在处于死/活混和态的猫吗?一只猫是如何又是死又是活的?又死又活的状态到底什么样子的?

这的确是一连串让人尴尬而又无法接受的问题,玻尔也无法解释这个问题。因为薛定谔的聪明之处在于,他把哥本哈根学派针对微观粒子的状态定义应用到宏观的具体生物上了。一个粒子在没有被观测之前的概率云状态人们无法想象,可一只猫的又死又活状态就让人觉得不可思议了。

要解决这个问题似乎很简单:在箱子里装一个摄像头就行了嘛。

数学家冯·诺伊曼告诉我们,这样做没用的。因为我们用于测量的仪器本身也是由不确定的粒子所组成的,它们也拥有自己的波函数。也就是说,当我们把摄像头装进箱子以后,它也会卷入到这个模糊叠加状态。而当我们站在电脑屏幕前观看的时候,好的,所有的波函数坍缩了,我们通过摄像头要么看到一只死的猫,要么看到一只活的猫。

那我们让一个人带上防毒面具钻到箱子里直接观察呢?

理论物理学家尤金·维格纳告诉我们,这样做也是没用的。因为当这个人进入箱子以后,箱子里的波函数会因为观测行为而立即坍缩,原子会根据概率立刻跳出一个衰变或是不衰变的结果。观测者只会得到一只要么死、要么活的猫。

到这里我们似乎发现了什么。是的,人类不介入,一切都是概率云;人类一观测,一切就清晰明了。

尤金·维格纳用一句话概括了这个现象:意识在触动波函数中担当了一个重要的角色。


漫威电影中平行宇宙的科学由来:从薛定谔的猫说起

意识?意识是个什么东西?

西医的拥趸会说解剖人体,从未发现穴位和经络的存在,所以中医理论根本站不住脚。可现在能够用公式描述出整个宇宙规律的物理学家却提出了意识这个虚无飘渺的东西,难道通过解剖,西医在人体中发现了意识的存在?还是说因为没有在人体中发现意识这个构造,从而我们可以否定意识的存在?

说到这里,我们似乎忽略了什么。是的,那只猫是不是个有意识的观测者?

猫有意识吗?似乎是的,它在捕猎小鸟或老鼠的时候,动如脱兔,静如处子,像极了一个合格的人类猎手;它被豢养久了之后,会认得主人的声音和口令,甚至会有意识地和主人进行交流。

那么,当这个箱子里的装置启动后,原子的波函数会不会因为它是个有意识的观测者而瞬间坍缩,立刻给出一个衰变或不衰变的结果。所以,这只猫要么死、要么活,根本不会处于死/活的混合态?

如果猫有意识,那么一只狗、一条鱼、一只鸟是不是也有意识?那么我们是不是可以说,概率云根本无法引申到宏观世界的生命体。所以,薛定谔的这种试验根本不成立?

那我们把猫换成一棵草,把毒气换成除草剂,会不会存在处于枯萎和不枯萎混和态的草呢?还是说“万物皆有灵”,一草一木也有意识,所以不存在叠加态的宏观事物?

《三体》的作者刘慈欣在另一本名为《球状闪电》的科幻小说中也描述了这样的情节:球状闪电在有观测的时候,会百分之百命中目标;但在没有观测的时候,就会呈概率云状态,随机飘浮。而在解决观测者的意识这个问题时,作者很天才地引入了“强观察”和“弱观察”的设定。也就是说,人类是强观察,所以人类的观测会触发波函数;而草木属于弱观察,所以不会触发波函数。

但这个设定其实有个BUG,那就是“强观察”和“弱观察”的分界线在哪里?是按智力划分还是物种划分,是按体型划分还是数量划分?如果类人猿是强观察者,那么猩猩呢?猴子呢?一只蚂蚁是弱观察者,那么一亿只蚂蚁呢?

面对着我们延伸出来的种种问题,玻尔或许会拍着桌子告诉我们:这些问题不重要!

因为我们无法证实!

我们打开箱子,无论里面是猫还是狗,是花还是草,它们只会呈现出一个结果。至于它们在里面是有意识的观察者,还是无意识的粒子叠加态,我们永远不可能知道。

传统物理学派会说,不管我们观察不观察,它“本来”的状态是什么总得有个明确的答案吧?

但量子物理学派会说,不能被观察出来的结果,对我们而言没有任何意义。我们不关心它“本来”的状态是什么,我们只关心我们能够“观测”到它的状态是什么。这里面的关键是我们“如何”观察它,而不是它“究竟”是什么状态。

如果我们抛开一系列的物理定理和公式,把这个理论给简化成最直白语言,那就是中国明代的王阳明在《传习录》中的一句话,大致意思是:当你没看这朵花的时候,对于花来讲,你不存在,对于你来说,花也不存在;当你来看这朵花的时候,你和花就都互相存在了。

在现实世界中,眼见未必为实;但在量子世界中,眼见方才为实。

好了,到现在为止,似乎“意识”可以完美地解释薛定谔的猫带给我们的一切问题。但事实真的如此简单吗?

你可以规定只有人类的观测才作数,那好,请进一步回答:你所谓的“打开箱子的那一瞬间”具体指得是什么?是第一粒光子从箱子里出来的那一刻,还是需要它进入到我们的视网膜中?或者是它要再等一会儿,一直进入到我们的大脑皮层激发“意识”这个装置之后才算是观测完成?

如果我们进一步钻牛角尖的话,还可以再去探究箱子的材质和密封程度,是必须要密封到一颗粒子都无法进出的箱子?还是甚至不需要箱子,只要让人背对这个装置就行?

漫威电影中平行宇宙的科学由来:从薛定谔的猫说起

等等,我们不是要讲平行宇宙吗?怎么跟薛定谔的猫较上劲了?

在《蜘蛛侠:平行宇宙》中,大反派要建立一台超级对撞机,来开启通往其他宇宙的时空通道。而对我们而言,要通往平行宇宙,只要否定在薛定谔的猫这个试验中观测者引发坍缩这个环节就可以了。

也就是说,决定猫是死是活的那个原子从未“选择”衰变还是不衰变,它始终保持在一个线性叠加的状态,不管是不是进行了观测。

但为什么我们看到的猫永远是要么死要么活这一种结果呢?

物理学家休·埃弗莱特告诉我们:这个原子即使在观测后,仍然处在衰变/不衰变的叠加中,只不过,我们的世界本身也是这叠加的一部分!也就是说,当这个装置启动后,世界分裂成了两个,在其中一个世界里,原子衰变了,猫死了,而在另一个世界里,原子没有衰变,猫快乐地从箱子里走了出来。

量子过程造成了两个世界。这就是量子论的“多世界解释”(简称MWI),也是漫威世界观中平行宇宙的由来。

对于崇信蝴蝶效应的人而言,这是个美妙的物理规律。在某个宇宙中,周朝的分封制没有崩溃,延续到今天,演变成了联邦制;在某个宇宙中,岳飞直捣黄龙,攻破大金,守护了大宋江山;在某个宇宙中,明朝的资本主义萌芽没有被大清覆灭,最终成为成了内阁制的资本主义国家;在某个宇宙中,九月十八号的晚上,张学良坚定地反击了日军,打破了日军侵华的梦想……

就现实而言,这也是个美好的设定。你可以和任何人赌俄罗斯轮盘,因为就算你在这个世界死了,你在另一个世界也是活的。就算是你拿刀自杀,你的刀也总有机率发生量子隧道效应,使刀安然无恙地穿过你的脖子,从而让你不死。甚至,总会存在某种量子效应,使你永远不会衰老。无论这种效应的概率有多小,那怕只有0.000……01%,但只要有可能发生,就总会让你在某个宇宙中存活,从而得到永生。

但遗憾的是,这种永生只是站在你自己的主观意识而言的,因为在这个宇宙的其它人眼中,不管是什么方式,你总归还是死了——就算在多世界理论中,平行宇宙也是不可能互通的,你无法从其它宇宙回来告诉别人你还活着。而如果多世界解释是错误的,那你也就真正地呜呼哀哉了。

埃弗莱特如果看到自己的理论被演绎成这么一种奇谈怪论之后,不知道会不会生起啼笑皆非的感觉。为了一个小小的原子要不要衰变的问题,我们竟然兴师动众地牵扯到整个宇宙的分裂,这未免太不经济廉价了,更何况,还产生了那么多“不可互通”的平行宇宙的废料。

事实上,虽然埃弗莱特在他的理论中的的确确地把宇宙比作一只“阿米巴变形虫”,也的的确确地用了“分裂”这个词,但在他的本意中,这真的只是一个比喻而已。

要理解MWI的理论和埃弗莱特的本意是复杂的。简单来说,就是我们的宇宙只有一个,但空间却是多维的,每个“子空间”感受到的“真实”宇宙是不相同的。

也就是说,平行宇宙概念的出现,实际上是物理学中的一个美丽的误会。虽然说平行宇宙的概念在理解起来,要比多维空间简单多了。

最后,还是希望钢铁侠能在某个平行宇宙中幸福地生活着。


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