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深度長(zhǎng)文:為什么說(shuō)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)很恐怖?到底恐怖在哪?

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說(shuō)恐怖夸張了,更多的只是難以理解違背常識(shí)。



雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法其實(shí)很簡(jiǎn)單,就是讓一束光通過(guò)擋板上的兩條平行縫隙,我們就能在擋板后面的幕布上看到明暗相間的條紋。

這個(gè)看似普通的實(shí)驗(yàn),卻承載著人類對(duì)光的本質(zhì)的百年探索,它的背后,是物理學(xué)界一場(chǎng)跨越兩個(gè)世紀(jì)的爭(zhēng)論與變革。

從物理學(xué)角度來(lái)說(shuō),這個(gè)實(shí)驗(yàn)直接證明了光是一種波。

因?yàn)楣獠ㄔ谕ㄟ^(guò)兩條平行縫隙后,會(huì)發(fā)生自我干涉現(xiàn)象:當(dāng)兩列光波的波峰與波峰相遇時(shí),亮度就會(huì)增強(qiáng),形成亮條紋;當(dāng)波峰與波谷相遇時(shí),亮度就會(huì)減弱,形成暗條紋,正是這種干涉作用,才在幕布上呈現(xiàn)出了明暗相間的規(guī)律條紋。



這一現(xiàn)象在我們的日常生活中也能找到類似的影子,比如將一塊石頭投入平靜的湖面,產(chǎn)生的水波遇到障礙物上的兩個(gè)小孔時(shí),會(huì)在障礙物后方形成類似的干涉花紋,這也從側(cè)面印證了波的干涉特性。

其實(shí),這個(gè)實(shí)驗(yàn)在19世紀(jì)初就被科學(xué)家們做過(guò)了。



1801年,英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊首次完成了雙縫干涉實(shí)驗(yàn),他用單色光照射帶有兩條狹縫的遮光板,在板后的屏幕上觀察到了清晰的明暗相間條紋,這一實(shí)驗(yàn)有力地反駁了當(dāng)時(shí)流行的“光的粒子說(shuō)”,奠定了光的波動(dòng)說(shuō)的基礎(chǔ)。

在之后的100多年里,這個(gè)實(shí)驗(yàn)一直被當(dāng)作證明光的波動(dòng)性的經(jīng)典案例,科學(xué)家們也沒(méi)有覺(jué)得這個(gè)實(shí)驗(yàn)有什么特別了不起的地方,它就像物理學(xué)課本里一個(gè)普通的知識(shí)點(diǎn),安靜地存在了一個(gè)多世紀(jì)。

但進(jìn)入20世紀(jì)后,這個(gè)看似普通的實(shí)驗(yàn),開(kāi)始被物理學(xué)家們高度重視起來(lái),甚至成為了量子力學(xué)發(fā)展的核心實(shí)驗(yàn)之一。

為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)變?

答案就藏在愛(ài)因斯坦提出的“光的波粒二象性”理論中——隨著各種實(shí)驗(yàn)的不斷驗(yàn)證,人們發(fā)現(xiàn)光不僅具有波動(dòng)性,還具有粒子性,它就像一個(gè)“雙面人”,在不同的實(shí)驗(yàn)條件下,會(huì)展現(xiàn)出完全不同的特性。



這一發(fā)現(xiàn)讓物理學(xué)家們陷入了一個(gè)棘手的問(wèn)題:既然光在最微觀的結(jié)構(gòu)下是一個(gè)個(gè)的粒子(光子),那么當(dāng)單個(gè)光子通過(guò)左縫時(shí),它怎么知道右縫的存在呢?要知道,干涉現(xiàn)象是波的特性,只有當(dāng)一列波同時(shí)通過(guò)兩條縫隙時(shí),才會(huì)發(fā)生自我干涉,而單個(gè)光子作為粒子,理論上只能通過(guò)其中一條縫隙,根本不可能“感知”到另一條縫隙的存在,更不可能發(fā)生干涉。

剛開(kāi)始,物理學(xué)家們還試圖“自欺欺人”。

因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)的技術(shù)條件下,沒(méi)有人能在實(shí)驗(yàn)室里讓光變成一個(gè)個(gè)的光子發(fā)射出去,所以物理學(xué)家們就想,或許是因?yàn)槲覀儼l(fā)射的光不是單個(gè)光子,而是大量光子聚集在一起,才會(huì)產(chǎn)生干涉條紋;如果讓光子一個(gè)個(gè)通過(guò)雙縫,干涉條紋就會(huì)消失。

這種想法看似合理,卻也只是物理學(xué)家們的一種自我安慰,他們始終無(wú)法擺脫一個(gè)核心疑問(wèn):?jiǎn)蝹(gè)光子到底能不能產(chǎn)生干涉?



但好景不長(zhǎng),沒(méi)過(guò)多久,物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)電子同樣具備波粒二象性——1927年,戴維森和革末通過(guò)電子衍射實(shí)驗(yàn),證明了電子也能像光一樣產(chǎn)生衍射現(xiàn)象,而衍射是波的典型特性,這就意味著電子不僅是粒子,也是一種波。

更重要的是,電子比光子更容易控制,科學(xué)家們制造出了可以一個(gè)個(gè)發(fā)射電子的電子槍,終于有機(jī)會(huì)驗(yàn)證“單個(gè)粒子能否產(chǎn)生干涉”這個(gè)核心問(wèn)題。

于是,一個(gè)劃時(shí)代的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始了:電子被一個(gè)個(gè)地射向雙縫,實(shí)驗(yàn)一做就是一年多。



在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,科學(xué)家們耐心地記錄著每一個(gè)電子在熒光屏上的落點(diǎn),起初,熒光屏上只是一個(gè)個(gè)雜亂無(wú)章的光點(diǎn),看不出任何規(guī)律;但隨著電子數(shù)量的不斷增加,熒光屏上的光點(diǎn)逐漸匯聚,一條條明暗相間的干涉條紋慢慢呈現(xiàn)了出來(lái)。這個(gè)結(jié)果讓所有物理學(xué)家都感到震驚——單個(gè)電子竟然也能產(chǎn)生干涉!



這一刻,物理學(xué)家們知道,一個(gè)潘多拉盒子被打開(kāi)了,從此物理學(xué)的江湖徹底大亂。一個(gè)電子,它怎么能夠通過(guò)左縫的時(shí)候,知道還有另外一條右縫的存在,從而改變自己的運(yùn)動(dòng)軌跡,與“另一個(gè)自己”發(fā)生干涉呢?

這個(gè)問(wèn)題還可以用更簡(jiǎn)潔的方式來(lái)問(wèn):一個(gè)電子到底是通過(guò)了左縫,還是通過(guò)了右縫?

面對(duì)這個(gè)無(wú)法解釋的現(xiàn)象,以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派給出了他們的解釋:一個(gè)電子同時(shí)通過(guò)了左縫和右縫!

這并不是說(shuō)電子會(huì)分身術(shù),一分為二,一半通過(guò)左縫,一半通過(guò)右縫,而是哥本哈根學(xué)派創(chuàng)造了一個(gè)前所未有的概念——疊加態(tài)。



他們認(rèn)為,一個(gè)或一團(tuán)基本粒子可以處于某種疊加態(tài)中,多種不同的狀態(tài)相互疊加在一起,一個(gè)電子可以同時(shí)處于不同的位置、擁有不同的速度和自旋方向。

正是因?yàn)樵诹孔邮澜缰,電子可以擁有如此神奇的本領(lǐng),它才能在雙縫實(shí)驗(yàn)中,“自己和自己”發(fā)生干涉。

這個(gè)概念當(dāng)然遭到了很多物理學(xué)家的反對(duì),他們無(wú)法接受這種違背常識(shí)的解釋——在我們的宏觀世界里,任何一個(gè)物體都只能處于一個(gè)確定的狀態(tài),比如一個(gè)人要么在客廳,要么在臥室,不可能同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方;一個(gè)杯子要么是完整的,要么是破碎的,不可能同時(shí)處于完整和破碎的疊加狀態(tài)。但在量子世界里,這一切都變得可能。

這些反對(duì)哥本哈根詮釋的物理學(xué)家,繼續(xù)在實(shí)驗(yàn)室里研究電子到底通過(guò)了哪條縫,他們?cè)噲D找到電子“分身”的證據(jù),或者推翻疊加態(tài)的概念。



但非常奇怪的是,當(dāng)他們?cè)谀硹l縫隙上安裝一個(gè)檢測(cè)裝置,一旦明確測(cè)定電子通過(guò)了哪條縫隙,熒光屏上的干涉條紋就會(huì)瞬間消失,電子仿佛“知道”自己被觀測(cè)了,從而改變了自己的行為,從疊加態(tài)變成了一個(gè)確定的狀態(tài)。

哥本哈根學(xué)派繼續(xù)解釋說(shuō),電子以不同的概率同時(shí)處于所有可能的位置,在數(shù)學(xué)上,我們可以用一個(gè)波函數(shù)來(lái)描述電子在每一個(gè)位置出現(xiàn)的概率。

而薛定諤方程,就是一個(gè)描述波函數(shù)如何隨著時(shí)間演化的方程,這種演化在沒(méi)有測(cè)量之前,是連續(xù)且平滑的,電子始終處于疊加態(tài)中。



但一旦對(duì)電子進(jìn)行精確測(cè)量,就會(huì)得到一個(gè)明確的結(jié)果,在測(cè)量的瞬間,描述多種狀態(tài)的波函數(shù)會(huì)突然坍縮,從疊加態(tài)中的多種狀態(tài),坍縮成其中的某一種狀態(tài),中斷了波函數(shù)原本平滑的演變過(guò)程。

很多人聽(tīng)完哥本哈根學(xué)派的解釋,依然一頭霧水,沒(méi)關(guān)系,我們總結(jié)一下,你只需要知道幾個(gè)結(jié)論性的概念就好。

第一,為了解釋電子的奇怪現(xiàn)象,哥本哈根學(xué)派創(chuàng)造了一種叫做「疊加態(tài)」的概念,它完全超出了我們的日常生活經(jīng)驗(yàn),沒(méi)有人能夠真正理解。這就好像讓一個(gè)天生的盲人去理解什么是顏色一樣,他無(wú)法真正理解顏色的具體樣子,但盲人不能因此否定顏色的存在;我們無(wú)法理解疊加態(tài),也不代表疊加態(tài)不存在,它只是量子世界的基本規(guī)律之一。

第二,當(dāng)人們繼續(xù)追問(wèn),測(cè)量是如何導(dǎo)致波函數(shù)突然坍縮的,電子又是怎樣從疊加態(tài)突然變成確定態(tài)的,哥本哈根學(xué)派就會(huì)回答說(shuō),這些問(wèn)題沒(méi)有意義,他們不予回答,反正知道測(cè)量會(huì)得到確定結(jié)果就好。

這聽(tīng)起來(lái)有些“霸道”,但不可否認(rèn)的是,按照這套“沒(méi)人能理解”的理論,我們能夠?qū)﹄娮拥男袨樽龀鼍_的計(jì)算,從而發(fā)明了電子計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體、激光等一系列改變世界的電子產(chǎn)品,這些科技成果,也間接證明了哥本哈根詮釋的合理性。

但這樣一套“回避核心問(wèn)題”的理論,讓很多物理學(xué)家感到非常難受。

他們孜孜不倦地尋找著一個(gè)更加合情合理的理論,就好像一個(gè)弄不清楚顏色是什么就絕不罷休的盲人一樣。而休·埃弗里特,就是他們中的一員,他用一個(gè)看似“瘋狂”的想法,為量子世界的解釋,開(kāi)辟了一條全新的道路,也創(chuàng)造了今天被無(wú)數(shù)科幻作家們熱愛(ài)的平行宇宙概念。



1954年的某個(gè)夜晚,埃弗里特和幾個(gè)好友喝了幾杯,正處于暈暈乎乎的狀態(tài)時(shí),一個(gè)絕妙的想法突然出現(xiàn)在他的腦海中。這個(gè)想法就像一道閃電,照亮了他長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)哥本哈根詮釋的困惑,在隨后的幾個(gè)星期里,他把這個(gè)想法發(fā)展成了一篇論文的初稿,正是這篇論文,徹底改變了人類對(duì)量子世界和宇宙的認(rèn)知,也誕生了平行宇宙的概念。

埃弗里特的想法其實(shí)很簡(jiǎn)單,他從薛定諤方程的基本性質(zhì)出發(fā),提出了三個(gè)核心假設(shè):如果波函數(shù)的連續(xù)演變沒(méi)有因?yàn)闇y(cè)量行為而被打斷;如果薛定諤方程始終適用,并且適用于一切物體,包括被觀測(cè)物體和觀測(cè)者本身;如果疊加態(tài)中的所有狀態(tài)始終都是真實(shí)存在的;那么,這樣一個(gè)世界,在我們的眼中會(huì)是什么樣子呢?

根據(jù)這些想法,埃弗里特提出了一個(gè)貌似“瘋狂”的觀點(diǎn),他認(rèn)為,每當(dāng)觀測(cè)者與處于疊加態(tài)中的物體發(fā)生相互作用時(shí),觀測(cè)者的波函數(shù)就會(huì)發(fā)生分岔,相互疊加的每種狀態(tài)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)分支。這個(gè)觀測(cè)者在每個(gè)分支里都有一個(gè)“分身”,每個(gè)“分身”都會(huì)觀察到疊加態(tài)中的一種狀態(tài),作為自己的測(cè)量結(jié)果。

根據(jù)薛定諤方程的基本數(shù)學(xué)性質(zhì),這些分支一旦形成,就無(wú)法再相互影響,因此,每一個(gè)分支都會(huì)各自獨(dú)立地踏上一條不一樣的未來(lái)之路,形成一個(gè)個(gè)相互平行的宇宙。



為了讓大家更好地理解這個(gè)概念,我們計(jì)劃用起源、模型、爭(zhēng)議及猜想這四個(gè)方面,來(lái)為大家詳細(xì)介紹平行宇宙。平行宇宙有時(shí)候也叫做平行世界、多重宇宙、多世界等等,這些說(shuō)法其實(shí)都是一個(gè)意思,考慮到“平行宇宙”這個(gè)詞最流行,我們?cè)诤竺娴膬?nèi)容中,就統(tǒng)一使用這個(gè)詞。

平行宇宙是最近這幾年非常熱門的一個(gè)概念,這幾年涌現(xiàn)出的很多電影、電視劇,都以平行宇宙的概念為題材,比如,2001年李連杰主演的電影《救世主》,講述了來(lái)自不同平行宇宙的“自己”相互爭(zhēng)斗,爭(zhēng)奪宇宙能量的故事;

2011年的《源代碼》,主角通過(guò)高科技進(jìn)入平行宇宙,試圖阻止恐怖襲擊,拯救更多人的生命;



2014年阿湯哥主演的《明日邊緣》,主角在平行宇宙中不斷循環(huán)重生,最終戰(zhàn)勝外星生物;

同一年上映的廣受好評(píng)的小成本電影《彗星來(lái)的那一夜》,則用細(xì)膩的劇情,展現(xiàn)了平行宇宙相互交錯(cuò)時(shí),人們的迷茫與混亂;

還有美劇《危機(jī)邊緣》,更是將平行宇宙的設(shè)定貫穿始終,講述了兩個(gè)平行世界之間的沖突與聯(lián)結(jié)。

平行宇宙的概念雖然很熱,但它到底是什么?它的科學(xué)性有多高?這個(gè)概念又是因?yàn)槭裁礃拥目茖W(xué)發(fā)現(xiàn)而產(chǎn)生的?恐怕能講清楚的人并不多,我們相信,通過(guò)接下來(lái)的內(nèi)容,一定能讓你在聚會(huì)聊天時(shí),圍繞平行宇宙這個(gè)話題大放異彩,讓身邊的人對(duì)你刮目相看。

實(shí)際上,平行宇宙的類型有非常多種,著名的物理學(xué)家、科普作家布萊恩·格林,就把平行宇宙模型分成了9種不同的類型,一種比一種腦洞大開(kāi)。

比如,視界平行宇宙,源于宇宙的膨脹速度超過(guò)光速,我們能夠觀測(cè)到的宇宙只是整個(gè)宇宙的一小部分,在我們觀測(cè)不到的視界之外,還有無(wú)數(shù)個(gè)和我們一樣的宇宙;暴脹平行宇宙,源于宇宙大爆炸后的暴脹理論,認(rèn)為宇宙在暴脹過(guò)程中,會(huì)不斷產(chǎn)生新的“子宇宙”,每個(gè)子宇宙都有自己的物理規(guī)律;還有弦理論預(yù)言的膜宇宙,認(rèn)為我們的宇宙只是一張“宇宙膜”,在更高維度的空間中,還存在著無(wú)數(shù)張類似的“宇宙膜”,這些“宇宙膜”的碰撞,可能就是宇宙大爆炸的起源。



但我們今天并不打算展開(kāi)介紹這些復(fù)雜的平行宇宙模型,今天的核心,是帶大家回到平行宇宙概念誕生的最初源頭,了解這個(gè)“瘋狂”概念背后的故事,認(rèn)識(shí)那位被稱為“平行宇宙之父”的物理學(xué)家——休·埃弗里特。

平行宇宙這一概念的誕生,可以追溯到1954年,美國(guó)物理學(xué)家埃弗里特是公認(rèn)的概念創(chuàng)造者。他用于解釋量子力學(xué)的“多世界詮釋”,以及由此發(fā)展而來(lái)的退相干理論,在物理學(xué)界無(wú)人不知、無(wú)人不曉。然而,這位英年早逝的物理學(xué)家的生平故事,卻鮮為人知,甚至很多人在了解平行宇宙概念多年后,都不知道它的創(chuàng)造者是誰(shuí)。

《科學(xué)美國(guó)人》的作者彼得·伯恩與俄羅斯歷史學(xué)家尤金·;舴虿煞虻热耍瑸榱诉原埃弗里特的一生,檢索了大量的文獻(xiàn)資料,走訪了埃弗里特曾經(jīng)工作過(guò)的實(shí)驗(yàn)室,還親自采訪了他的同事、朋友以及兒子,終于為我們揭開(kāi)了這位科學(xué)家充滿悲劇色彩的一生,讓我們得以了解,這個(gè)“瘋狂”的概念,是如何在一個(gè)充滿才華卻又命運(yùn)多舛的人手中誕生的。

休·埃弗里特三世,于1930年出生在美國(guó)華盛頓特區(qū)。

他的爸爸和爺爺都叫休·埃弗里特,所以按照西方人的習(xí)慣,這位創(chuàng)造了平行宇宙概念的科學(xué)家,其實(shí)是埃弗里特三世。埃弗里特從小就展現(xiàn)出了過(guò)人的天賦,尤其對(duì)物理學(xué)和宇宙學(xué)有著濃厚的興趣,據(jù)說(shuō)他12歲的時(shí)候,就給愛(ài)因斯坦寫過(guò)一封信,在信中,他向愛(ài)因斯坦提出了一些關(guān)于宇宙學(xué)的問(wèn)題,比如宇宙的起源、黑洞的本質(zhì)等等。

讓人意外的是,愛(ài)因斯坦居然親自給這個(gè)12歲的孩子回了信,耐心地解答了他的疑問(wèn),這份回信,也更加堅(jiān)定了埃弗里特投身物理學(xué)研究的決心。

埃弗里特的大學(xué)本科就讀于美國(guó)天主教大學(xué),主修物理,他的本科成績(jī)非常優(yōu)異,幾乎每一門課程都是滿分,畢業(yè)時(shí),他獲得了獎(jiǎng)學(xué)金,順利進(jìn)入了普林斯頓大學(xué)物理系深造,專攻量子力學(xué)。而他的導(dǎo)師,就是大名鼎鼎的約翰·惠勒教授——惠勒是20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家之一,他不僅在量子力學(xué)和相對(duì)論領(lǐng)域有著卓越的貢獻(xiàn),還培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀的物理學(xué)家,埃弗里特就是他最得意的學(xué)生之一。



埃弗里特攻讀博士學(xué)位的年代,正是物理學(xué)的黃金時(shí)代,尤其是量子力學(xué),正以前所未有的方式不斷刷新著人類的觀念。當(dāng)時(shí),占據(jù)著量子力學(xué)核心地位的,就是以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派,他們對(duì)量子世界中各種奇異現(xiàn)象的解釋,被統(tǒng)稱為“哥本哈根詮釋”。哥本哈根詮釋在當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界占據(jù)著絕對(duì)的主導(dǎo)地位,絕大多數(shù)物理學(xué)家都接受了這套理論,但也有一部分物理學(xué)家,始終對(duì)這套理論充滿了質(zhì)疑,其中最具代表性的,就是愛(ài)因斯坦。

愛(ài)因斯坦和玻爾的論戰(zhàn),是物理學(xué)史上最著名的論戰(zhàn)之一,這場(chǎng)論戰(zhàn)曠日持久,從20世紀(jì)20年代一直持續(xù)到愛(ài)因斯坦去世,至死都沒(méi)有停止。



愛(ài)因斯坦始終無(wú)法接受哥本哈根詮釋中“疊加態(tài)”和“波函數(shù)坍縮”的概念,他曾多次在公開(kāi)場(chǎng)合表示,“上帝不擲骰子”,他認(rèn)為,量子世界的不確定性,只是因?yàn)槲覀兊恼J(rèn)知還不夠全面,總有一天,我們會(huì)找到一個(gè)更根本的理論,來(lái)解釋量子世界的所有現(xiàn)象,而不是用“疊加態(tài)”這種違背常識(shí)的概念來(lái)回避問(wèn)題。

20多歲的埃弗里特,在學(xué)習(xí)了哥本哈根詮釋后,也對(duì)這套理論產(chǎn)生了強(qiáng)烈的質(zhì)疑,在他看來(lái),哥本哈根詮釋是“荒誕”的、“不完整”的。他曾經(jīng)在一封給《現(xiàn)代物理評(píng)論》雜志編輯德威特的信中寫道:“哥本哈根詮釋的不完整性無(wú)可救藥,因?yàn)樗紫纫蕾囉诮?jīng)典物理學(xué)……它還是一個(gè)將‘真實(shí)’概念建立在宏觀世界、否認(rèn)微觀世界真實(shí)性的哲學(xué)怪胎!

很多人第一次聽(tīng)到哥本哈根詮釋的時(shí)候,腦子里的第一反應(yīng)都是“荒唐”,這哪里像是一個(gè)物理學(xué)家提出的理論?為了讓大家更好地理解埃弗里特的質(zhì)疑,我們?cè)儆萌嗽捊忉屢槐楦绫竟忈尩暮诵模涸跊](méi)有測(cè)量之前,電子處于“通過(guò)左縫”和“通過(guò)右縫”的疊加態(tài)中,它既通過(guò)了左縫,又通過(guò)了右縫;而當(dāng)我們安裝檢測(cè)裝置,對(duì)電子進(jìn)行測(cè)量時(shí),電子的波函數(shù)會(huì)瞬間坍縮,從疊加態(tài)變成一個(gè)確定的狀態(tài),要么通過(guò)左縫,要么通過(guò)右縫,干涉條紋也會(huì)隨之消失。



而埃弗里特的想法,卻完全推翻了這種解釋。

他認(rèn)為,根本不存在“波函數(shù)坍縮”這種現(xiàn)象,波函數(shù)會(huì)一直按照薛定諤方程連續(xù)、平滑地演化,不會(huì)因?yàn)闇y(cè)量而中斷。當(dāng)我們對(duì)電子進(jìn)行測(cè)量時(shí),不是電子的波函數(shù)坍縮了,而是我們自己的波函數(shù)發(fā)生了分岔,分裂成了兩個(gè)不同的分支——在一個(gè)分支里,我們觀測(cè)到電子通過(guò)了左縫;在另一個(gè)分支里,我們的“分身”觀測(cè)到電子通過(guò)了右縫。

更重要的是,這兩個(gè)分支一旦形成,就會(huì)相互獨(dú)立,再也無(wú)法影響彼此,形成兩個(gè)平行的宇宙。也就是說(shuō),在我們這個(gè)宇宙中,電子通過(guò)了左縫;而在另一個(gè)平行宇宙中,電子通過(guò)了右縫,我們的“分身”正在那個(gè)宇宙中,觀察著和我們截然不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而且,這種分裂并不是只發(fā)生在電子測(cè)量的瞬間,只要有量子疊加態(tài)的存在,只要有觀測(cè)行為,宇宙就會(huì)不斷地分裂,產(chǎn)生無(wú)數(shù)個(gè)平行宇宙。



怎么樣,是不是非常瘋狂?請(qǐng)大家務(wù)必把自己想象成是第一次聽(tīng)到平行宇宙的理論,這樣你才能更好地體會(huì)到,當(dāng)時(shí)埃弗里特的導(dǎo)師惠勒看到這篇論文時(shí)的那種感受——震驚、困惑,又帶著一絲興奮。

要知道,當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界,所有人都被哥本哈根詮釋所束縛,沒(méi)有人敢提出這樣一個(gè)“顛覆認(rèn)知”的想法,而埃弗里特,一個(gè)還在攻讀博士學(xué)位的年輕人,卻敢于挑戰(zhàn)權(quán)威,提出了一個(gè)全新的、看似“荒誕”卻又邏輯自洽的理論。

我們可以想象一下,當(dāng)我們測(cè)量一個(gè)電子的時(shí)候,整個(gè)宇宙就會(huì)分裂成無(wú)數(shù)個(gè)平行的宇宙。

因?yàn)殡娮拥寞B加態(tài)包含了無(wú)數(shù)種可能的狀態(tài),每一種狀態(tài)都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)平行宇宙,而我們所說(shuō)的宇宙,是包含了1400多億個(gè)已知星系的龐大存在,并不是僅僅只有地球這一個(gè)世界。也就是說(shuō),每一次測(cè)量,都會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)個(gè)和我們這個(gè)宇宙一樣龐大的平行宇宙,這樣的場(chǎng)景,想一想就讓人感到震撼,也難怪很多人會(huì)覺(jué)得這個(gè)理論“瘋狂”。

但雖然瘋狂,這個(gè)理論卻有一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)——它是一個(gè)可以被我們理解的理論,每一個(gè)詞、每一個(gè)概念,我們都能聽(tīng)懂,不需要像哥本哈根詮釋那樣,用“疊加態(tài)”“波函數(shù)坍縮”這種難以理解的概念來(lái)回避核心問(wèn)題。

普林斯頓高等研究院的科學(xué)家馬爾達(dá)西那的看法,就反映了物理學(xué)家們對(duì)埃弗里特理論的普遍態(tài)度,他說(shuō):“如果站在量子力學(xué)的角度來(lái)考慮埃弗里特的理論,我相信這是最合理的解釋。但在日常生活中,我絕對(duì)不相信這個(gè)理論!



這句話道出了很多物理學(xué)家的心聲:從理論層面來(lái)說(shuō),埃弗里特的多世界詮釋,是目前解釋量子現(xiàn)象最邏輯自洽、最完整的理論,它解決了哥本哈根詮釋無(wú)法解決的“波函數(shù)坍縮”難題,不需要引入任何額外的假設(shè),完全基于薛定諤方程的基本性質(zhì);但從日常生活經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,這個(gè)理論實(shí)在是太違背常識(shí)了,我們無(wú)法感知到其他平行宇宙的存在,也無(wú)法想象自己有無(wú)數(shù)個(gè)“分身”在不同的宇宙中生活,所以,很多物理學(xué)家在日常生活中,依然會(huì)默認(rèn)使用哥本哈根詮釋來(lái)解釋量子現(xiàn)象。

在這里,我們必須提醒大家,為了科普的需要,我們把埃弗里特論文中的所有數(shù)學(xué)和理論物理部分全都略去了。

真實(shí)的論文,并不是像我們現(xiàn)在這樣,用通俗易懂的科幻小說(shuō)式的寫法來(lái)描述,而是包含了大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)、公式證明和概念定義,是一篇非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)論文。而且,1954年埃弗里特寫出的只是論文初稿,直到1956年,他才在惠勒的指導(dǎo)下,完成了正式的博士論文,由此可見(jiàn),埃弗里特并不是一個(gè)隨意開(kāi)腦洞的“民科”,而是一個(gè)有著扎實(shí)的物理學(xué)基礎(chǔ)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度的科學(xué)家。

惠勒非常重視埃弗里特的這篇論文,他認(rèn)為這篇論文有著劃時(shí)代的意義,能夠徹底改變量子力學(xué)的發(fā)展方向。為了讓這篇論文得到物理學(xué)界的認(rèn)可,惠勒特意帶著論文前往哥本哈根,與玻爾以及哥本哈根學(xué)派的其他物理學(xué)家,進(jìn)行了三輪“漫長(zhǎng)而激烈的討論”。我們?cè)诨堇諏懡o埃弗里特的信中,可以看到這樣的評(píng)價(jià):“你的完美波函數(shù)公式自然無(wú)人撼動(dòng);但我們所有人都覺(jué)得,真正的問(wèn)題在于這么多公式后面所附的說(shuō)明性文字里面。”

這些說(shuō)明性文字中,埃弗里特用人和炮彈的“分裂”來(lái)描述公式所隱含的科學(xué)寓意,這種通俗的描述,讓惠勒感到十分頭痛——在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)論文中,用這樣“不嚴(yán)謹(jǐn)”的方式來(lái)描述理論,很容易被其他物理學(xué)家質(zhì)疑。而哥本哈根學(xué)派的科學(xué)家們,更是對(duì)埃弗里特的理論嗤之以鼻,認(rèn)為這是一種“神學(xué)”,而不是科學(xué),他們無(wú)法接受“宇宙分裂”這種看似荒誕的想法,始終堅(jiān)持哥本哈根詮釋的正確性。



到了1957年,埃弗里特盡管萬(wàn)分不情愿,但為了順利畢業(yè),不得不對(duì)自己的論文進(jìn)行了大幅修改,刪除了四分之三的內(nèi)容,其中最核心的“宇宙分裂”相關(guān)的描述,被全部刪除,論文中再也沒(méi)有提到“分裂”兩個(gè)字。

修改后的論文,終于在著名的學(xué)術(shù)期刊《現(xiàn)代物理評(píng)論》上發(fā)表,這篇論文,后來(lái)成為了量子力學(xué)發(fā)展史上極具重要性的論文之一,為后來(lái)的退相干理論、平行宇宙研究奠定了基礎(chǔ)。

然而,令人遺憾的是,這篇論文發(fā)表后的20多年里,根本沒(méi)有人認(rèn)識(shí)到這篇論文的價(jià)值。偶爾有人提到這篇論文,也都是以嘲笑的口吻,認(rèn)為埃弗里特的想法太過(guò)“瘋狂”,不符合科學(xué)規(guī)律。這種被忽視、被嘲笑的處境,讓埃弗里特感到極度沮喪,他逐漸對(duì)理論物理學(xué)失去了信心,脫離了理論物理學(xué)界。

離開(kāi)物理學(xué)界后,埃弗里特進(jìn)入了美國(guó)國(guó)防部工作,在那里工作了幾年后,他開(kāi)始創(chuàng)業(yè),成立了自己的公司,主要從事軍事和工業(yè)領(lǐng)域的咨詢工作。但埃弗里特的創(chuàng)業(yè)之路并不順利,他的公司始終沒(méi)有取得太大的成功,只能勉強(qiáng)維持運(yùn)營(yíng)。

在生活中,埃弗里特也并不是一個(gè)成功的人。他長(zhǎng)期抽煙、酗酒,身體狀況越來(lái)越差;他的家庭關(guān)系也十分緊張,與妻子矛盾重重,最終選擇了離婚;他有一個(gè)女兒和一個(gè)兒子,女兒長(zhǎng)大后患上了精神分裂癥,深受病痛折磨,最終選擇了自殺;他的兒子后來(lái)成為了一名小有名氣的搖滾歌星,但在兒子的眼中,父親是一個(gè)冷酷無(wú)情、意志消沉的酒鬼,父子倆的關(guān)系一直十分疏遠(yuǎn)。

就在埃弗里特投身創(chuàng)業(yè)、生活陷入低谷的時(shí)候,物理學(xué)界開(kāi)始艱難地重新發(fā)現(xiàn)他的多世界詮釋。我們之前提到的那位《現(xiàn)代物理評(píng)論》的編輯德威特,在偶然間看到了埃弗里特未經(jīng)刪減的原始論文,他被論文中的想法深深震撼,開(kāi)始大力支持埃弗里特的理論。德威特找到了埃弗里特,征得他的同意后,將他未經(jīng)刪減的原始論文,編輯成了一本名為《量子力學(xué)的多世界詮釋》的書(shū)籍,正式出版發(fā)行。

這本書(shū)的出版,讓埃弗里特的多世界詮釋開(kāi)始被更多的物理學(xué)家關(guān)注。到了1976年,一位科幻小說(shuō)家受到埃弗里特多世界理論的啟發(fā),寫了一篇描寫多世界的科幻小說(shuō),這篇小說(shuō)一經(jīng)發(fā)表,就一炮走紅,“多世界”這個(gè)詞開(kāi)始在大眾中迅速流傳開(kāi)來(lái),后來(lái),人們又將“多世界”進(jìn)一步衍生為“平行宇宙”,這個(gè)概念也逐漸走進(jìn)了大眾的視野。

正當(dāng)埃弗里特的貢獻(xiàn)被世界逐漸重新發(fā)現(xiàn),他的理論開(kāi)始被越來(lái)越多的人認(rèn)可的時(shí)候,悲劇發(fā)生了。

1982年7月19日,51歲的埃弗里特因心肌梗死,在睡夢(mèng)中悄然離世,結(jié)束了他充滿悲劇色彩的一生。他沒(méi)有等到自己的理論被物理學(xué)界廣泛認(rèn)可的那一天,也沒(méi)有等到平行宇宙概念風(fēng)靡全球的那一天,更沒(méi)有機(jī)會(huì)看到,自己的想法,竟然會(huì)成為無(wú)數(shù)科幻作品的靈感源泉,影響了一代又一代人。

但埃弗里特雖然離開(kāi)了,由他創(chuàng)造的平行宇宙概念,卻越來(lái)越火。



如今,平行宇宙已經(jīng)成為了科幻作品中最熱門的題材之一,也成為了物理學(xué)界研究的熱門方向。每當(dāng)我們?cè)陲堊郎洗笳勀骋徊恐v平行宇宙的科幻電影,每當(dāng)我們討論量子世界的神奇現(xiàn)象,我們都應(yīng)該記得,有這樣一位落魄的物理學(xué)家,在半個(gè)多世紀(jì)前,用一個(gè)“瘋狂”的想法,為我們打開(kāi)了一扇通往多元宇宙的大門。

雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的“恐怖”,從來(lái)都不是來(lái)自實(shí)驗(yàn)本身,而是來(lái)自它所揭示的量子世界的真相——我們所熟悉的宏觀世界的規(guī)律,在量子世界中完全不適用;我們所感知的“真實(shí)”,或許只是無(wú)數(shù)個(gè)平行宇宙中的一個(gè)。埃弗里特的多世界詮釋,雖然看似瘋狂,卻為我們提供了一個(gè)理解量子世界的全新視角,也讓我們對(duì)宇宙的本質(zhì),有了更深刻的思考。



或許,在某個(gè)平行宇宙中,埃弗里特沒(méi)有離開(kāi)物理學(xué)界,他的理論被及時(shí)認(rèn)可,他成為了物理學(xué)界的傳奇;或許,在某個(gè)平行宇宙中,我們已經(jīng)找到了平行宇宙存在的證據(jù),能夠與其他宇宙的“自己”相互溝通;或許,在某個(gè)平行宇宙中,量子世界的規(guī)律,和我們的宏觀世界一樣,簡(jiǎn)單而清晰。而這,正是平行宇宙概念的魅力所在——它不僅是一個(gè)科學(xué)猜想,更是人類對(duì)未知世界的無(wú)限向往與探索。

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