漫威電影中平行宇宙的科學由來:從薛定諤的貓說起

2018年,漫威曾以蜘蛛俠為主角,推出過一部描繪平行宇宙的動畫電影(蜘蛛俠:平行宇宙),在電影中,來自各個平行宇宙的蜘蛛俠們通過時空通道齊聚一堂,為正義而戰。

平行宇宙在漫威系列電影中是個極為重要的世界觀設定,據說該系列電影的下個階段,平行宇宙的世界觀將完全展開。在這個設定中,漫威英雄們可以獨立地存在於多個宇宙,並且命運各不相同——有的命運坎坷、結局悲慘,有的甚至變成了大反派。

事實上,平行宇宙這個看起來頗為玄幻的設定並非漫畫作者的無中生有,而是源於物理學的科學設想。

要理解平行宇宙的由來,還要從薛定諤的貓說起。

漫威電影中平行宇宙的科學由來:從薛定諤的貓說起

1935年,受愛因斯坦的啟發,薛定諤發表了一篇題為《量子力學的現狀》的論文,在論文的第五章,他設計了那個廣為流傳的試驗。

在此之前,以玻爾為首的支持量子論的哥本哈根學派認為:在沒有測量前,一個粒子的狀態是模糊不清,處於各種可能性的混合疊加狀態。

這是量子力學的基礎理論,用愛因斯坦詰問玻爾的話來說,就是難道上帝會擲骰子不成?

是的,玻爾回答他,在量子力學中,上帝是擲骰子的,宇宙中的一切存在隨機。

隨機是吧?好的。和愛因斯坦持同一立場的薛定諤說,現在假定有一個放射性原子,按你們的隨機理論,它何時衰變完全是概率性的。只要沒觀察,它便處在衰變/不衰變的疊加狀態中,只有確實測量了,它才隨機選擇一種狀態而出現。

現在,讓我們把這個原子放在一個不透明的箱子中。然後想象有這麼一個結構精巧的精密裝置,每當原子衰變而放出一箇中子,它就激發一連串連鎖反應,最終打破箱子中的一個毒氣瓶。

同時,箱子中還有一隻可憐的貓。

也就是說,如果原子衰變了,那麼毒氣瓶就會被打破,貓就會被毒死。如果原子沒有衰變,那麼貓就會好好地活著。

事情很明顯:當我們打開箱子觀察的時候,我們要麼看到一隻四腳朝天的可憐的死貓,要麼看到一隻活蹦亂跳的幸運的活貓。

可是,當我們沒有打開箱子之前,這隻貓處在什麼狀態?

按照量子理論,在沒觀測前,原子處於衰變/不衰變的疊加狀態中,那麼同理,我們是不是也可以認為此時這隻貓應該處於概率雲狀態,也就是處於死/活的混和態?

是的,玻爾說,當我們沒有觀測的時候,那隻貓的確處於又死又活的狀態。

非常好!那麼請問:這世界上會存在處於死/活混和態的貓嗎?一隻貓是如何又是死又是活的?又死又活的狀態到底什麼樣子的?

這的確是一連串讓人尷尬而又無法接受的問題,玻爾也無法解釋這個問題。因為薛定諤的聰明之處在於,他把哥本哈根學派針對微觀粒子的狀態定義應用到宏觀的具體生物上了。一個粒子在沒有被觀測之前的概率雲狀態人們無法想象,可一隻貓的又死又活狀態就讓人覺得不可思議了。

要解決這個問題似乎很簡單:在箱子裡裝一個攝像頭就行了嘛。

數學家馮·諾伊曼告訴我們,這樣做沒用的。因為我們用於測量的儀器本身也是由不確定的粒子所組成的,它們也擁有自己的波函數。也就是說,當我們把攝像頭裝進箱子以後,它也會捲入到這個模糊疊加狀態。而當我們站在電腦屏幕前觀看的時候,好的,所有的波函數坍縮了,我們通過攝像頭要麼看到一隻死的貓,要麼看到一隻活的貓。

那我們讓一個人帶上防毒面具鑽到箱子裡直接觀察呢?

理論物理學家尤金·維格納告訴我們,這樣做也是沒用的。因為當這個人進入箱子以後,箱子裡的波函數會因為觀測行為而立即坍縮,原子會根據概率立刻跳出一個衰變或是不衰變的結果。觀測者只會得到一隻要麼死、要麼活的貓。

到這裡我們似乎發現了什麼。是的,人類不介入,一切都是概率雲;人類一觀測,一切就清晰明瞭。

尤金·維格納用一句話概括了這個現象:意識在觸動波函數中擔當了一個重要的角色。


漫威電影中平行宇宙的科學由來:從薛定諤的貓說起

意識?意識是個什麼東西?

西醫的擁躉會說解剖人體,從未發現穴位和經絡的存在,所以中醫理論根本站不住腳。可現在能夠用公式描述出整個宇宙規律的物理學家卻提出了意識這個虛無飄渺的東西,難道通過解剖,西醫在人體中發現了意識的存在?還是說因為沒有在人體中發現意識這個構造,從而我們可以否定意識的存在?

說到這裡,我們似乎忽略了什麼。是的,那隻貓是不是個有意識的觀測者?

貓有意識嗎?似乎是的,它在捕獵小鳥或老鼠的時候,動如脫兔,靜如處子,像極了一個合格的人類獵手;它被豢養久了之後,會認得主人的聲音和口令,甚至會有意識地和主人進行交流。

那麼,當這個箱子裡的裝置啟動後,原子的波函數會不會因為它是個有意識的觀測者而瞬間坍縮,立刻給出一個衰變或不衰變的結果。所以,這隻貓要麼死、要麼活,根本不會處於死/活的混合態?

如果貓有意識,那麼一隻狗、一條魚、一隻鳥是不是也有意識?那麼我們是不是可以說,概率雲根本無法引申到宏觀世界的生命體。所以,薛定諤的這種試驗根本不成立?

那我們把貓換成一棵草,把毒氣換成除草劑,會不會存在處於枯萎和不枯萎混和態的草呢?還是說“萬物皆有靈”,一草一木也有意識,所以不存在疊加態的宏觀事物?

《三體》的作者劉慈欣在另一本名為《球狀閃電》的科幻小說中也描述了這樣的情節:球狀閃電在有觀測的時候,會百分之百命中目標;但在沒有觀測的時候,就會呈概率雲狀態,隨機飄浮。而在解決觀測者的意識這個問題時,作者很天才地引入了“強觀察”和“弱觀察”的設定。也就是說,人類是強觀察,所以人類的觀測會觸發波函數;而草木屬於弱觀察,所以不會觸發波函數。

但這個設定其實有個BUG,那就是“強觀察”和“弱觀察”的分界線在哪裡?是按智力劃分還是物種劃分,是按體型劃分還是數量劃分?如果類人猿是強觀察者,那麼猩猩呢?猴子呢?一隻螞蟻是弱觀察者,那麼一億隻螞蟻呢?

面對著我們延伸出來的種種問題,玻爾或許會拍著桌子告訴我們:這些問題不重要!

因為我們無法證實!

我們打開箱子,無論裡面是貓還是狗,是花還是草,它們只會呈現出一個結果。至於它們在裡面是有意識的觀察者,還是無意識的粒子疊加態,我們永遠不可能知道。

傳統物理學派會說,不管我們觀察不觀察,它“本來”的狀態是什麼總得有個明確的答案吧?

但量子物理學派會說,不能被觀察出來的結果,對我們而言沒有任何意義。我們不關心它“本來”的狀態是什麼,我們只關心我們能夠“觀測”到它的狀態是什麼。這裡面的關鍵是我們“如何”觀察它,而不是它“究竟”是什麼狀態。

如果我們拋開一系列的物理定理和公式,把這個理論給簡化成最直白語言,那就是中國明代的王陽明在《傳習錄》中的一句話,大致意思是:當你沒看這朵花的時候,對於花來講,你不存在,對於你來說,花也不存在;當你來看這朵花的時候,你和花就都互相存在了。

在現實世界中,眼見未必為實;但在量子世界中,眼見方才為實。

好了,到現在為止,似乎“意識”可以完美地解釋薛定諤的貓帶給我們的一切問題。但事實真的如此簡單嗎?

你可以規定只有人類的觀測才作數,那好,請進一步回答:你所謂的“打開箱子的那一瞬間”具體指得是什麼?是第一粒光子從箱子裡出來的那一刻,還是需要它進入到我們的視網膜中?或者是它要再等一會兒,一直進入到我們的大腦皮層激發“意識”這個裝置之後才算是觀測完成?

如果我們進一步鑽牛角尖的話,還可以再去探究箱子的材質和密封程度,是必須要密封到一顆粒子都無法進出的箱子?還是甚至不需要箱子,只要讓人背對這個裝置就行?

漫威電影中平行宇宙的科學由來:從薛定諤的貓說起

等等,我們不是要講平行宇宙嗎?怎麼跟薛定諤的貓較上勁了?

在《蜘蛛俠:平行宇宙》中,大反派要建立一臺超級對撞機,來開啟通往其他宇宙的時空通道。而對我們而言,要通往平行宇宙,只要否定在薛定諤的貓這個試驗中觀測者引發坍縮這個環節就可以了。

也就是說,決定貓是死是活的那個原子從未“選擇”衰變還是不衰變,它始終保持在一個線性疊加的狀態,不管是不是進行了觀測。

但為什麼我們看到的貓永遠是要麼死要麼活這一種結果呢?

物理學家休·埃弗萊特告訴我們:這個原子即使在觀測後,仍然處在衰變/不衰變的疊加中,只不過,我們的世界本身也是這疊加的一部分!也就是說,當這個裝置啟動後,世界分裂成了兩個,在其中一個世界裡,原子衰變了,貓死了,而在另一個世界裡,原子沒有衰變,貓快樂地從箱子裡走了出來。

量子過程造成了兩個世界。這就是量子論的“多世界解釋”(簡稱MWI),也是漫威世界觀中平行宇宙的由來。

對於崇信蝴蝶效應的人而言,這是個美妙的物理規律。在某個宇宙中,周朝的分封制沒有崩潰,延續到今天,演變成了聯邦制;在某個宇宙中,岳飛直搗黃龍,攻破大金,守護了大宋江山;在某個宇宙中,明朝的資本主義萌芽沒有被大清覆滅,最終成為成了內閣制的資本主義國家;在某個宇宙中,九月十八號的晚上,張學良堅定地反擊了日軍,打破了日軍侵華的夢想……

就現實而言,這也是個美好的設定。你可以和任何人賭俄羅斯輪盤,因為就算你在這個世界死了,你在另一個世界也是活的。就算是你拿刀自殺,你的刀也總有機率發生量子隧道效應,使刀安然無恙地穿過你的脖子,從而讓你不死。甚至,總會存在某種量子效應,使你永遠不會衰老。無論這種效應的概率有多小,那怕只有0.000……01%,但只要有可能發生,就總會讓你在某個宇宙中存活,從而得到永生。

但遺憾的是,這種永生只是站在你自己的主觀意識而言的,因為在這個宇宙的其它人眼中,不管是什麼方式,你總歸還是死了——就算在多世界理論中,平行宇宙也是不可能互通的,你無法從其它宇宙回來告訴別人你還活著。而如果多世界解釋是錯誤的,那你也就真正地嗚呼哀哉了。

埃弗萊特如果看到自己的理論被演繹成這麼一種奇談怪論之後,不知道會不會生起啼笑皆非的感覺。為了一個小小的原子要不要衰變的問題,我們竟然興師動眾地牽扯到整個宇宙的分裂,這未免太不經濟廉價了,更何況,還產生了那麼多“不可互通”的平行宇宙的廢料。

事實上,雖然埃弗萊特在他的理論中的的確確地把宇宙比作一隻“阿米巴變形蟲”,也的的確確地用了“分裂”這個詞,但在他的本意中,這真的只是一個比喻而已。

要理解MWI的理論和埃弗萊特的本意是複雜的。簡單來說,就是我們的宇宙只有一個,但空間卻是多維的,每個“子空間”感受到的“真實”宇宙是不相同的。

也就是說,平行宇宙概念的出現,實際上是物理學中的一個美麗的誤會。雖然說平行宇宙的概念在理解起來,要比多維空間簡單多了。

最後,還是希望鋼鐵俠能在某個平行宇宙中幸福地生活著。


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