新知

　　真的存在平行宇宙嗎？在其他的宇宙中，你也許正在睡覺(jué)，也許正感到快樂(lè)或悲傷，你可能是個(gè)富翁也可能是個(gè)窮鬼，甚至可能已經(jīng)死掉了。

　　答案是“有這種可能。”平行宇宙是一個(gè)頗有爭(zhēng)議的說(shuō)法，但是在過(guò)去幾十年里，它收獲了越來(lái)越多的追隨者。

　　對(duì)量子疊加態(tài)的一種解釋

　　平行世界起源于微觀尺度下的物理學(xué)。二十世紀(jì)初，物理學(xué)家創(chuàng)造并發(fā)展了量子力學(xué)來(lái)理解微觀尺度下的世界。這個(gè)理論認(rèn)為，微觀世界的現(xiàn)實(shí)很模糊。微觀粒子，如電子，不需要擁有特定的位置，它可以同時(shí)處于不同的位置。它們還可以同時(shí)擁有其他我們?cè)�本認(rèn)為并不相容的性質(zhì)。當(dāng)粒子擁有這樣的性質(zhì)時(shí)，物理學(xué)家就說(shuō)它們處于不同狀態(tài)的疊加態(tài)。

　　實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明疊加態(tài)是真實(shí)存在的。即使是像足球烯（含有60個(gè)原子）一樣大的分子也可以同時(shí)處于不同的位置。

　　為什么我們看到的粒子只會(huì)處于特定的位置上？既然我們都是由粒子組成的，為什么我們只能處于特定的位置上？

　　量子力學(xué)自身并沒(méi)有給出這個(gè)問(wèn)題的答案。一種可能是，量子力學(xué)并不是描述這個(gè)世界完善的理論。也許自然界遵循另一種運(yùn)行機(jī)制，這種機(jī)制我們暫時(shí)還不理解。在微觀世界中，現(xiàn)實(shí)也許是模糊不清的，但是一旦涉及到宏觀物體，例如觀測(cè)者或者測(cè)量?jī)x器，微觀物體就不再處于疊加態(tài)了。

　　另一個(gè)可能是，也許所有可能的測(cè)量結(jié)果都是真實(shí)存在的——例如測(cè)量一個(gè)粒子的位置時(shí)，世界分裂成不同的分支。在每一個(gè)分支里都有一個(gè)你，這個(gè)分支里的你測(cè)量到一個(gè)粒子處于某個(gè)位置。

　　1957年，物理學(xué)家休·埃弗雷特首次在他的博士論文中提出關(guān)于多世界的想法。“數(shù)學(xué)告訴我們的是，當(dāng)一個(gè)粒子處于A狀態(tài)和B狀態(tài)的疊加態(tài)，觀察者的測(cè)量讓自己進(jìn)入觀察到粒子處于‘A狀態(tài)’和觀察到‘B狀態(tài)’的疊加態(tài)中。”牛津大學(xué)物理哲學(xué)家大衛(wèi)·華萊士解釋道。所以微觀的疊加變成了宏觀的疊加。

　　雖然數(shù)學(xué)不能決定測(cè)到A還是B，但它也沒(méi)有將兩者混合起來(lái)。描述體系所處狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以分為兩部分，每個(gè)部分描述的是一個(gè)世界，在這個(gè)世界中，實(shí)驗(yàn)者正好看到了兩種可能性中的一種。

　　很多過(guò)程會(huì)導(dǎo)致世界分裂

　　物理學(xué)家的測(cè)量是唯一會(huì)引起世界分裂的手段嗎？當(dāng)然不是。測(cè)量本質(zhì)上是測(cè)量?jī)x器與疊加態(tài)之間發(fā)生相互作用，其他的物理過(guò)程同樣可以和疊加態(tài)發(fā)生相互作用。例如，宇宙射線可以處于向各個(gè)方向傳播的疊加態(tài)上。如果沿著其中一個(gè)方向傳播的射線射向地球上的一塊晶體，那么射線的照射會(huì)在晶體上留下軌跡。晶體能有效地測(cè)量光線的位置。因?yàn)楣饩�處于射向晶體和不射向晶體的疊加態(tài)上，晶體進(jìn)入了留有痕跡和沒(méi)有痕跡的疊加態(tài)。

　　當(dāng)沒(méi)有觀測(cè)者時(shí)，你可以認(rèn)為世界從一開(kāi)始就在進(jìn)行分裂。“根據(jù)多世界理論的說(shuō)法，這從宇宙大爆炸時(shí)就已經(jīng)開(kāi)始了。”劍橋大學(xué)的量子物理學(xué)家阿德里安·肯特說(shuō)，“宇宙可能始于一個(gè)單一的量子態(tài)，但它很快就變成了對(duì)宇宙的許多不同描述的疊加。在這些分支中，地球會(huì)形成。而在其中一些分支中，地球不會(huì)形成。在地球形成的一些分支中，我們會(huì)進(jìn)化，而在其他一些分支中，我們不會(huì)進(jìn)化。”

　　哪一個(gè)我才是真實(shí)的

　　但為什么我們從來(lái)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)另外一個(gè)自己？為什么我們從來(lái)沒(méi)有看到像冰箱或人這樣的宏觀物體同時(shí)出現(xiàn)在多個(gè)地方？

　　埃弗雷特最初的設(shè)想并不能排除這種可能性。原則上，現(xiàn)實(shí)可能以我們未知的方式分裂，這樣觀測(cè)者就會(huì)看到一個(gè)電子并不處于特定的位置上。但埃弗雷特沒(méi)有考慮到外界的影響。當(dāng)電子與外部環(huán)境發(fā)生相互作用，例如高速運(yùn)動(dòng)的光子或宇宙射線，“電子處于位置A”和“電子處于位置B”兩個(gè)狀態(tài)之間的干涉幾乎全部轉(zhuǎn)移到外部環(huán)境中并耗散掉。兩種狀態(tài)之間的干涉也變得無(wú)法察覺(jué)——觀測(cè)者在觀察電子時(shí)只能看到一個(gè)確定的結(jié)果。這個(gè)過(guò)程叫做退相干，它發(fā)生的速度非常快。

　　由于人和冰箱一直與無(wú)數(shù)的粒子發(fā)生相互作用，退相干效應(yīng)會(huì)將它們限制在某一個(gè)單一的軌跡上面：它們不會(huì)在某一時(shí)刻處于不同的位置上。

　　如果你研究的是微觀物體，比如電子，那么你就可以很好地將它與外界隔離開(kāi)，從而觀察到疊加現(xiàn)象。“系統(tǒng)越大，就越難將其與外部環(huán)境隔離開(kāi)。因此，越大的物體越難處于疊加態(tài)中。”華萊士解釋道。

　　“在埃弗雷特看來(lái)，‘所有不同的分支’都是真實(shí)的。”肯特說(shuō)，“這些分支里有很多個(gè)‘你’，要問(wèn)哪一個(gè)是真實(shí)的是沒(méi)有意義的，因?yàn)檫@些拷貝都是真實(shí)的。直到世界發(fā)生分裂之前，所有的拷貝都擁有相同的記憶。在很短一段時(shí)間后，拷貝之間會(huì)產(chǎn)生微小的差別，隨著時(shí)間的流逝，差別會(huì)越來(lái)越大。”

　　多世界的觀點(diǎn)可能不符合常識(shí)，它依賴于現(xiàn)有的量子力學(xué)的數(shù)學(xué)。大家不相信多世界理論的原因主要分為兩個(gè)方面。有些人，包括肯特，不太相信退相干足以解釋世界被分為多個(gè)支，在每個(gè)分支里，世界就是他們看到的那樣。他們擔(dān)心，要讓退相干理論有效地描述現(xiàn)實(shí)需要引入額外的假設(shè)。

　　另一個(gè)問(wèn)題是，數(shù)學(xué)為世界的不同分支引入了看起來(lái)像概率的東西。但是，如果所有的分支都是同樣真實(shí)的，那么說(shuō)一個(gè)分支比另一個(gè)分支更具可能性是什么意思呢？（來(lái)源：微信公眾號(hào)“中科院物理所”）