物理学家们为何提出多重宇宙

近年来，多重宇宙成了物理研究的热门话题。电影大片也常常以这为题材，让主人公穿越不同空间，令人神往。

如果说多重宇宙是好莱坞制片人的创意，这我完全理解；可是物理学家是最相信实证、思维最为严谨的一批人，多重宇宙出自于他们的笔下，让我不由得询问，到底是什么，让他们走上了这条“最不情愿的路”。的确，爱因斯坦在批驳波尔量子力学时就曾经说过，“上帝是不会玩骰子的。”

回顾牛顿物理的美好时光，一切物体都有确定的轨迹，一切轨迹，又都有完美的公式解释。可是好景不长，微观世界的运动，比如光的波粒二相性，让物理学家们陷入了漫长的“噩梦”。

这一切，都开始于著名的“双缝实验”。在这个实验中，一束单色光被一个屏障遮挡，屏障上面开了两条平行的狭缝，使得光束能够通过它们，投射到对面的屏幕上。

可以想像，如果屏障上只有一条狭缝，那么屏幕上应该对应的出现一片亮光。事实的确如此。

可是如果屏障上有两条狭缝，是不是就应该相应出现两片亮光呢？不是。屏幕上出现了许多明暗交错的斑马条纹。这是因为光是一种波，通过两条狭缝的光波互相干涉，就像水面上的波纹在互相交错时，在有些地方波浪互相加强；有些地方，波浪就互相抵消。屏幕上明暗交错的条纹，就是光波互相加强和削弱的结果。这一现象也不足为奇，因为科学家们早就知道光是一种波，而干涉，正是波的典型特征。

双缝实验示意图。(<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment#/media/File:Double-slit.svg">NekoJaNekoJa/Wikipedia Commons</a>)

双缝实验示意图。(NekoJaNekoJa/Wikipedia Commons)

单缝（上）和双缝（下）实验成像对比。(<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/File:Doubleslit2.jpg">Jordgette/Wikimedia Commons</a>)

单缝（上）和双缝（下）实验成像对比。(Jordgette/Wikimedia Commons)

可是1909年英国科学家泰勒（Geoffrey Taylor）把光子发射的速度减慢，让光子一个一个发出，同时只可能有一个光子穿过屏障，打在对面的感光底片上。随着光子一个一个打在底片上，底片上逐渐积累了一片撞击的亮点。令人吃惊的是，这团亮点，依然呈现出了干涉条纹。

泰勒的双缝实验示意图：底片上逐渐积累了一片撞击的亮点。(<a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:2Slits-particles_only.jpg">Jean-Christophe BENOIST/Wikipedia Commons</a>)

泰勒的双缝实验示意图：底片上逐渐积累了一片撞击的亮点。(Jean-Christophe BENOIST/Wikipedia Commons)

由于同时只有一个光子发出，这个光子应该或者通过左侧狭缝，或者通过右侧狭缝，或者哪个也没通过。只有一个光子，谁跟谁干涉了呢？唯一可能的解释是，同一个光子，既通过了左侧狭缝，又通过了右侧狭缝，然后自相干涉。也就是说，同一个光子可以同时在不同地点出现！这完全违反了传统物理中物体位置的确定性。

在这之后，物理学家们多次重复了这个实验，显示出不同的微观粒子——电子、中子等等，都有同样的表现。他们还进行了这个实验的多种升级版，以排除实验错误，或者是测量过程中引入的干扰。然而不论如何努力，干涉条纹都依然存在。

为了解释这个现象，丹麦物理学家玻尔（Niels Bohr）在上世纪20年代提出，微观粒子可以同时在多个地点存在，因此同一个光子能够同时通过两个狭缝，自相干涉形成条纹。而光子的地点分布，是以波的形式出现。

因此光波是一种概率的波。在两个波峰重叠的地方，两个概率互相加强，使得光子更有可能在这个地点出现；而在波峰和波谷相交的地方，概率就互相抵消，使得光子出现的可能性减少。

1922年获得诺贝尔奖的丹麦物理学家尼尔斯?玻尔（Niels Bohr）。（公有领域）

可是在日常生活中，物体的地点都是确定的。为了弥合这一区别，玻尔认为，任何观察的行为都会使微观粒子的不确定性得以确定化，从而使粒子有了确定的地点。由于这一解释是几名哥本哈根的物理学家提出的（包括玻尔），这一解释被称作“哥本哈根诠释”。

这一理论准确地解释了双缝实验的结果。不但如此，这一理论在众多微观世界的观察中都得到了准确的验证，而且屡试不爽。

然而爱因斯坦却难以接受这一理论。他驳斥道，“上帝是不会玩骰子的。”玻尔也毫不客气，反驳道，“别再告诉上帝该干什么了。”

为了推翻玻尔的量子力学，1935年爱因斯坦和另外两名科学家合作发表了一篇论文。在论文中，爱因斯坦证明，假如玻尔量子力学是正确的，就可以推论出存在量子纠缠现象。也就是说，当两个微观粒子充分接近时，两者之间可以产生一种联系。比如说，一个粒子上旋，那么另一个粒子就一定是下旋。如果观察者不去观察其中任何粒子，两个粒子的“上下”以及“下上”这两种组合是同时存在的。可是，如果观察者偷看了其中一个粒子，知道它是上旋，那么不论距离多远，另一个粒子的状态也立即被确定，并且一定是下旋。

由于观察之前两种可能同时存在，而观察后却只有一个可能了，因此观察前后存在着客观的变化。然而，不论两个粒子间的距离有多远，从观察一个粒子的状态，到固定另一个粒子的状态，这一过程的时间是零。换句话说，这一因果效应的传递速度是无限大。

爱因斯坦认为，在宇宙中，任何事件都只能对附近的局部地区产生影响，而因果效应向远方传递，其速度不可能超过光速。出于这一原则，爱因斯坦认为量子纠缠现象是不可能的，并把它称作为“远距离的幽灵行为”（Spooky action at a distance）。爱因斯坦把这一观点作为量子力学的反证，认为量子力学至少是“不完整的”。

在看到这篇论文后，玻尔立即跳起，向秘书口述一篇答复。可是在口述过程中，玻尔再三更改自己的言词，最终也无法找到满意的答复。

直到1972年，两人间的争论才有了分晓。1964年，英国物理学家约翰?贝尔（John Bell）提出了一个不等式，如果爱因斯坦正确，这个不等式就会满足；而如果玻尔正确，这个不等式就会被打破。1972年弗里德曼（Stuart Freedman）和克劳瑟（John Clauser）在这一基础上进行了实验，发现纠缠光子的统计数据违反了贝尔不等式，证明了玻尔的正确。

英国物理学家约翰?贝尔（John Bell）1982年在欧洲核子研究组织。(<a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Physicist_John_Bell_at_CERN,_June_1982.png">CERN/Wikimedia Commons</a>)

英国物理学家约翰?贝尔（John Bell）1982年在欧洲核子研究组织。(CERN/Wikimedia Commons)

可是，这一结论并不等于物理学家们的头痛有所减轻。

早在1935年，物理学家薛定谔（Erwin Schr?dinger）就曾提出一个假想的实验，在这个实验中，有一个黑盒子，里面有一个原子、一个开关、一瓶毒药和一只猫，它就是大名鼎鼎的“薛定谔之猫”。实验中，如果原子发生衰变，就会启动开关，打破瓶子，造成猫的死亡。

薛定谔之猫。(<a href="https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4279886">Dhatfield/Wikipedia Commons</a>)

薛定谔之猫。(Dhatfield/Wikipedia Commons)

由于原子是微观粒子，依照量子力学，应该遵从状态的不确定性。因此在观察之前，原子衰变和未衰变的状态同时存在，这只猫也就同时既是活的，又是死的。可是只要有人打开黑盒子，看一眼这只猫，根据哥本哈根诠释，这只猫的死活就被确定下来了。由于猫是宏观物体，而猫能够同时既是死的，又是活的，这一状态，违反了宏观物体确定性的常规认识，因而被称为薛定谔悖论。

为了弥合这一悖论，1957年，普林斯顿大学的博士生艾弗雷特（Hugh Everett）在博士论文中提出放弃哥本哈根诠释，认为微观粒子和宏观物体遵循同一规律，都存在不确定性。而宏观物体的不确定性，在于多个并行空间的存在：除了我们这个世界，还有许多不同的世界，有些里面有我们这样的人类社会，有些也许没有。如果今天中午您去了家中餐馆，也许在另外一个空间里，你却去了韩国餐馆，多种可能同时存在。

其实，双缝实验的一个升级版，也似乎符合这一设想。在这个实验中，发射的粒子不是光子、电子这样的小粒子，而是由60个碳原子组成的球状大分子（buckyball）。实验中也显示出干涉条纹，表明这些分子的位置有不确定性。

其实，早在玻尔提出概率波的时刻，似乎已经埋下了多重世界的伏笔。因为根据概率论，概率是定义在“样本空间”上的。而样本空间中的每一个可能性，都是一个不同的现实。如果投掷一枚硬币，看到正面朝上，那么在这次投掷中，反面朝上的可能性就没有出现，它只存在于另一个现实中。谈到概率，就不能不谈样本空间，而样本空间，本身就是不同版本的现实。

随着时间的推移，量子力学不但没有变得通俗易懂，反而更加神乎其神：不但并行空间成为可能，甚至对时间的认识也和传统大相径庭。现在物理学家们认为，过去、现在和未来都同时存在，而且时间还可能逆转。似乎在物理学研究中，“物质”的成分越来越少，而我们的世界，却越来越像个巨大的信息系统。

其实佛家早就认识到了并行空间的存在。根据佛家的认识，当一个人降生的时候，许多不同的空间中，都有一个他同时降生。佛家还认为，人的一生就像电影一样，过去、现在和未来同时存在。随着科学的发展，科学和信仰，已经走得越来越近。

美国哥伦比亚大学物理学教授布莱恩·格林（Brian Greene）在演讲中。(<a href="https://www.flickr.com/photos/fronteirasweb/15090669168/">Luiz Munhoz/Fronteiras do Pensamento/Flickr</a>, CC)

美国哥伦比亚大学物理学教授布莱恩·格林（Brian Greene）2014年在演讲中。(Luiz Munhoz/Fronteiras do Pensamento/Flickr, CC)

正像美国哥伦比亚大学物理学教授布莱恩·格林（Brian Greene）在他的科普纪录片《宇宙的构造》（The Fabric of the Cosmos，又译：超乎想像的宇宙）中所说：

“就拿我来说吧。我看起来很真实对吧？也许是，不过令人吃惊的新线索正在展现出来，显示出你和我，甚至整个空间，都是一种全息影像。”（“Take me for example. I seem real enough, don’t I? Well yes, but surprising new clues are emerging, that everything, you and I and even space itself, may actually be a kind of hologram.”）@*#