如果多世界先出现
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这倒不是说,如果我生在那个时代而不是这个时代,就一定能做得更好……
宏观退相干(也就是所谓的多世界),最早由 Hugh Everett III 在 1957 年的一篇论文中提出。那篇论文被人无视了。John Wheeler 让 Everett 去找 Niels Bohr。Bohr 没把他当回事。
备受打击的 Everett 离开了学院派物理学,发明了 Lagrange 乘子在优化问题中的一般用法,并成了千万富翁。
直到 1970 年,Bryce DeWitt(「many-worlds」这个术语的提出者)在 Physics Today 上发表了一篇文章,整个领域才第一次普遍得知 Everett 的想法。自那以后,宏观退相干的支持者一直在增加,而现在它或许已经成了多数观点(也可能没有)。
但假设在 1920 年代,人们在发现纠缠之后立刻就意识到了退相干与宏观退相干。再假设直到 1957 年之前,都没有任何人提出坍缩理论。那今天会不会是退相干的人气在稳步下滑,而坍缩理论却在缓慢升温呢?
想象一个平行地球:在那里,第一个发现纠缠与叠加的物理学家张口就说:「见鬼的火焰猴子啊,外头还有亿万个别的地球!」
在此后的这些年里,人们提出了许多假说,试图解释神秘的玻恩概率。但到目前为止,还没有人提出过坍缩公设。这个可能性根本就没在任何人脑子里出现过。
有一天,Huve Erett 走进了 Biels Nohr 的办公室……
「我就是不明白,」Huve Erett 说,「为什么物理学界竟然连对我的假说感兴趣的人都没有。玻恩统计难道不是现代量子理论里最大的谜题吗?」
Biels Nohr 叹了口气。通常这种事他连理都不会理,但这个年轻人身上有种什么东西,让他还是忍不住想试着解释一下。
「Huve,」Nohr 说,「每个物理学家每年都会遇到几十个自以为已经解释了玻恩统计的人。你去参加个聚会,只要告诉别人你是物理学家,十次里起码有一次会有人拿出一套关于玻恩统计的新解释。它是现代科学里最有名的问题之一,更糟的是,人人都觉得自己能理解这个问题。想要引起注意,一个新的玻恩假说就得……相当、相当过硬。」
「而这,」Huve 说,「这还不够好吗?」
Huve 朝他带给 Biels Nohr 的那篇论文比了比。那是一篇短文。标题写着《玻恩问题的解答》。论文正文写道:
当你对一个量子系统进行测量时,除一个点之外,波函数的其余部分都会消失;幸存者将以一种由玻恩统计决定的非确定性方式被选出。
「让我先百分之百确认一下,」Nohr 小心地说,「我理解得没错。你的意思是:我们有这样一个波函数——它按 Wheeler-DeWitt 方程演化——然后突然之间,除了其中一个部分外,整个波函数都会自发变成零振幅。到处同时发生。并且这会在我们于宏观层面上『测量』某个东西时发生。」
「对!」Huve 说。
「所以波函数知道我们什么时候『测量』了它。那到底什么叫『测量』?波函数怎么知道我们在这儿?在人类出现、能够去测量事物之前,又发生了什么?」
「呃……」Huve 想了一会儿。然后他伸手去拿论文,把「当你对一个量子系统进行测量时」划掉,改写成「当一个量子叠加变得过大时」。
Huve 抬起头,眼睛一亮。「修好了!」
「我明白了,」Nohr 说。「那『过大』到底是多大?」
「大概到 50 微米那个量级吧,」Huve 说,「我听说他们还没测到那儿。」
突然,一个学生把头探进房间。「喂,你听说了吗?他们刚刚在 50 微米量级验证了叠加。」
「哦,」Huve 说,「呃,那就换成别的量级吧。哪个量级能让实验结果对上,就用哪个。」
Nohr 皱起脸来。「年轻人,真相在这件事上恐怕不会太让人舒服。你能先把我的话听完吗?」
「能,」Huve 说,「我只是想知道为什么物理学家不肯听我说。」
「好吧,」Nohr 说。他叹了口气。「你看,如果你这套理论真是对的——如果波函数的大块部分会瞬间消失——那它就会是……让我想想。整个量子力学里唯一一条既非线性、又非幺正、又不可微、又不连续的定律。它会阻止物理以局域方式演化,也就是每一部分只看它的直接邻居。你的『坍缩』会成为整个物理学中唯一一个拥有特权基底与特权化同时性空间的基本现象。坍缩还会成为整个物理学中唯一一个违反 CPT 对称性、Liouville 定理和狭义相对论的现象。在你最初那个版本里,坍缩还会是整个物理学中唯一一个本质上依赖心灵的现象。我漏了什么吗?」
「坍缩还是唯一一个非因果现象,」Huve 指出。「这难道不让这个理论更奇妙、更惊人吗?」
「我想,Huve,」Nohr 说,「物理学家大概会把你这个理论的这种例外主义,看成一个减分项,而不是加分项。」
「哦,」Huve 有点发懵地说。「那好吧,我想我可以在——里面再假设一个二阶项,来修补那个不可微的问题——」
「Huve,」Nohr 说,「我觉得你没抓住我的重点。物理学家不理你,不是因为你没把话说清楚,而是因为你的理论根本不是物理。那是魔法。」
「可玻恩统计是现代物理最大的谜题,而这个理论给玻恩统计提供了一种机制!」Huve 抗议道。
「不,Huve,它并没有,」Nohr 疲惫地说。「这就像你说:有一群小天使按照 Maxwell 方程去推带电粒子,于是你就『为』电磁学『提供了一种机制』。与其说『这是 Maxwell 方程,它告诉那些天使该把电子往哪儿推』,我们不如直接说『这是 Maxwell 方程』,那样理论反而严格更简单。现在,我们确实不知道玻恩统计为什么会发生。但你没有给出半点理由,说明你的『坍缩公设』为什么会按玻恩统计去消灭世界,而不是按别的什么东西。你甚至连量子演化是幺正的这一事实都没用上——」
「那是因为它根本就不是,」Huve 插嘴道。
「——而所有人几乎都知道,这一点无论如何都必定是玻恩统计的关键。可你只是说:『这是玻恩统计,它告诉那个坍缩器该怎样消灭世界。』而严格来说,直接说『这是玻恩统计』要更简单得多。」
「可是——」Huve 说。
「还有,」Nohr 提高声音说,「你完全没有论证,为什么坍缩之后只剩下一个幸存世界,或者为什么坍缩会发生在任何人类进入叠加态之前——这会让现代物理学家觉得你的理论非常可疑。这正是那种『唯一基督』派会拿来主张:我们在给高中生讲其他地球时,也该『把争议一并教授』的那类不可检验假说。」
「我又不是『唯一基督』派!」Huve 抗议。
「好,」Nohr 说,「那你为什么就直接假定只会剩下一个世界?而这还不是你理论唯一的问题。到底是波函数的哪个部分会被消掉?又是在哪个基底里?很明显,整个波函数并不会被压缩成一个 delta 点,否则只要任何地方发生任何一次坍缩,普通量子计算机都不可能继续保持叠加——见鬼,普通分子化学都可能开始失灵——」
Huve 赶紧把论文里的「一个点」划掉,改成「一个部分」,然后说:「坍缩并不会把波函数压扁成一个点。它会消掉除了一个世界之外的所有振幅,但会把那个世界里的振幅全部保留下来。」
「为什么?」Nohr 说。「原则上,一旦你假定了『坍缩』,那『坍缩』就可以在任何地方消掉波函数的任何一部分——为什么最后偏偏整整齐齐只剩下一个世界?那个坍缩器知道我们在里面吗?」
Huve 说:「它会留下一个完整世界,因为那样才符合我们的实验。」
「Huve,」Nohr 耐心地说,「这在术语上叫『事后附会(post hoc)』。再说,退相干是一个连续过程。如果你按整个人脑来划分,只要神经元放电模式不同,那么这些划分在波函数内部的相互干涉几乎为零。但还有很多别的过程彼此重叠得很厉害。你不可能在不作出完全武断选择的情况下,指着『一个世界』说把别的全部消掉——其中还包括一个武断的基底选择——」
「可是——」Huve 说。
「而最重要的是,」Nohr 说,「你之所以说不出究竟是波函数的哪一部分消失、它究竟何时发生、究竟是什么触发了它,原因就在于:如果我们真的采纳了你这个理论,它就会成为整个物理学里唯一一条以非正式、定性方式表述的基本定律。很快,天底下任何两个物理学家都不会在具体细节上达成一致!为什么?因为它会成为整个现代物理学中唯一一条在没有实验性证据精确钉死其运作方式的情况下,仍被人相信的基本定律。」
「真的会这样?」Huve 说。「我还以为很多物理学都比这更非正式呢。我的意思是,你刚才不还在说,不可能指着『一个世界』就把它指出来吗?」
「那是因为世界并不是基本的,Huve!我们用来描述波函数演化的那条基本定律——Wheeler-DeWitt 方程——有海量实验性证据作支撑。我们只是把完全同一条方程应用过去,用它来描述宏观退相干。只是由于计算困难,这条方程在实践上不容易算出来;但原则上,它会精确告诉我们宏观退相干在何时发生。我们不知道玻恩统计从哪里来,但我们对玻恩统计是什么有海量证据。可当我问你坍缩在何时、何地发生时,你不知道——因为根本没有任何实验性证据能把它钉死。Huve,就算这个『坍缩公设』真像你说的那样运作,你也根本不可能知道它! 为什么不再来个十亿种同样魔法味十足的别种可能呢?」
Huve 举起双手,摆出防御姿态。「我又不是说我的理论应该作为公认真理被拿到大学里去教!我只是想让它接受实验检验!这也有错吗?」
「你连坍缩何时发生都没说清楚,所以我没法构造一个能证伪你理论的检验,」Nohr 说。「不过话说回来,我们本来就在用实验寻找量子定律中任何会在越来越宏观尺度上发生变化的部分。一方面是出于一般原则——也许在小数点后第 20 位藏着什么只会在宏观系统里显现出来的东西;另一方面也是希望能发现一些能为玻恩统计带来线索的现象。我们平时本来就会检查退相干时间。但我们对『可能哪里不同』保持着宽泛视野。没有人会在寻找线索时,平白偏袒你这个非线性、非幺正、不可微、非局域、不具 CPT 对称性、非相对论、他妈地非因果、超光速,而且还非正式得离谱的『坍缩』。除非他们看到了绝对无可误认的证据。而且相信我,Huve,要把这玩意儿看成不是错觉,得需要海量到离谱的证据。就算我们真发现了异常的退相干时间——虽然我不觉得会——那也不会逼着我们把你的『坍缩』当成解释。」
「什么?」Huve 说。「为什么?」
「因为比起违反狭义相对论,至少还有十亿种解释更可信,」Nohr 说。「你意识到如果这真会发生,那么你在测量一个光子的偏振时就只会得到一个结果吗?测量一对纠缠光子中的一个,会影响远在一光年之外的另一个。Einstein 会当场心脏病发作。」
「它又没有真的违反狭义相对论,」Huve 说。「坍缩发生的方式恰到好处,确保你永远不可能真正探测到那种超光速影响。」
「这对你的理论并不是加分项,」Nohr 说。「而且,Einstein 还是会心脏病发作。」
「哦,」Huve 说。「那我们就说,在坍缩发生之前,粒子相关的那些性质根本不存在。如果某样东西不存在,对它施加影响就不算违反狭义相对论——」
「你这是越陷越深。听着,Huve,一般来说,真正正确的理论不会制造出这种级别的混乱。但最重要的是,根本没有证据支持它。你没有任何逻辑上的办法知道坍缩会发生,也没有任何理由去相信它。你犯了个错。干脆说一句『哎呀!』,然后继续过你的日子。」
「但他们总有一天可能找到证据,」Huve 说。
「我想不出有什么证据能把这个特定的单世界假说确定为解释,但不管怎样,眼下我们并没有发现任何这样的证据,」Nohr 说。「我们甚至没有发现任何哪怕稍微暗示它的东西!你不能拿那些理论上也许未来某天会到来、但其实还没到来的证据来更新信念!就在现在、就在今天,根本没有理由把宝贵时间花在这上面,而不去想另外十亿种同样魔法味十足的理论。眼下绝对没有任何东西,足以让你相信『坍缩理论』,哪怕比起去相信『将来有一天,我们会靠向 Flying Spaghetti Monster(飞天意面怪兽)祈祷所产生的非因果效应,学会传递超光速信息』这种事,更多出一点点正当性都没有!」
Huve 挺直身子,摆出一副受伤的尊严。「你知道,如果我的理论是错的——而我也承认它可能是错的——」
「如果?」Nohr 说。「可能?」
「如果,我是说如果,我的理论错了,」Huve 继续说,「那 somewhere out there 就有另一个世界,在那儿我才是那个著名物理学家,而你是那个孤零零的异类!」
Nohr 双手掩面。「噢,别又来了。你没听过那句话吗:『活在你自己的世界里。』而偏偏你还是最该——」
「在某个地方,真的有一个世界:那里的绝大多数物理学家都相信坍缩理论,而且过去三十年里甚至没有人提出过宏观退相干!」
Nohr 抬起头,开始大笑。
「有什么好笑的?」Huve 怀疑地问。
Nohr 只笑得更厉害了。「天哪!天哪!Huve,你真觉得会有那么一个世界:他们已经知道量子物理三十年了,可居然没有任何人哪怕想过也许不止一个世界存在?」
「对,」Huve 说,「我就是这么想的。」
「我的天!所以你的意思是,Huve,物理学家在微观系统里探测到了叠加,又在他们能检验到的每一个案例中都推导出了支配叠加的定量方程。可整整三十年里,连一个人都没说一句:『嘿,我在想,这些定律会不会其实是普适的。』」
「他们为什么非得这么想?」Huve 说。「物理模型在你考察新领域时,有时候本来就会出错。」
「可竟然连想都没想过?」Nohr 难以置信地说。「你看到苹果下落,推导出了除 Jupiter 以外太阳系所有行星的引力定律,然后就因为 Jupiter 太大,连把这条定律应用到 Jupiter 上的念头都不会出现?这简直像某种喜剧段子:有个人打开一个盒子,里面弹出一块弹簧馅饼;于是他又打开另一个盒子,里面又是一块弹簧馅饼;结果这家伙就这么一直开下去,却连想一下下一个盒子里也可能还有馅饼都没有。你觉得 John von Neumann——可能是人类历史上 g 值最高的人——会想不到这一点?」
「对,」Huve 说,「他不会。你好好想想吧。」
「这是一个世界:我那位好朋友 Ernest 构想出了他的薛定谔的猫思想实验,而在这个世界里,这个思想实验是这么讲的:『嘿,假设有一个放射性粒子进入了“衰变”和“未衰变”的叠加态。然后这个粒子与一个传感器相互作用,于是传感器进入了“触发”和“未触发”的叠加态。传感器再与一个爆炸装置相互作用,于是爆炸装置进入了“爆炸”和“未爆炸”的叠加态;再和那只猫相互作用,于是猫进入了“活着”和“死了”的叠加态。然后一个人看向那只猫,』讲到这里,Schrödinger 停下来,说:『哎呀,我就是想象不出接下来会发生什么。』于是 Schrödinger 把这个东西拿给所有人看,而其他人也都说:『哇,我也完全不知道这时会发生什么,真是个惊人的悖论。』直到最后你听说了这件事,然后你说:『嘿,也许就在那个时刻,叠加态有一半会随机地、以超光速的方式消失。』而其他人则都说:『哇,这主意真棒!』」
「对,」Huve 又说了一遍。「这种事总得在某个地方发生过。」
「Huve,这是一个连每个物理学家——甚至大概整个人类——都蠢到不会去报名低温冷冻(cryonics)的世界!我们说的可是 George W. Bush 当总统的那个地球。」