“宇宙分裂器”背后的物理学争论

　　是馅饼还是蛋糕？如果你难于选择，也许你需要一个“宇宙分裂器”。这是最近国外流行的一款手机app。只要将你面临的选择输入这个app，它就会自动连接到瑞士日内瓦的一个实验室，该实验室将进行一个实验，告诉你应该做哪项选择。
　　这个app可以向你保证：不管最好的选择是哪一个，你肯定都能得到它不是这个世界的你得到，就是所谓“平行世界”里的另一个你得到。现在，请坐回椅子上，倒杯白酒（或者红酒？），准备好把你的思想也分裂一下。我们即将进入量子王国，去许多世界旅行，在那里你可以吃蛋糕，或馅饼，甚至可以同时得到两者。你愿意吗？
　　神秘且让人困惑的波函数
　　这个令人愉快的建议来自一个以甜点闻名的城市：奥地利的维也纳。在1920年代早期，奥地利物理学家埃尔温薛定谔正在寻找一个方程来解释当时让人困惑的量子（比如光子和构成你、我、椅子和蛋糕等物质的原子）的行为。
　　1925年，薛定谔终于找到了他的方程。这个方程表明，关于量子的一切都是由一个叫做“波函数”的神秘数学函数来描述的。所有关于某个量子的信息，都包含在它的波函数里。
　　但这个波函数意味着什么呢？它如何跟实验对应起来，成为可测量、可验证的东西？一年后，德国物理学家马克斯波恩对波函数提出一种解释。他说，波函数不只是一项数学工具，而是跟能量、电荷等等一样实实在在的客观存在。如果你设计实验来测量波函数，在未进行测量之前，波函数将告诉你在空间某个点发现该量子的可能性。而一旦你对它进行测量，它就随机地选择一个单一的结果表现出来这叫“波函数的坍缩”，即退相干原理。在波函数坍缩的过程中，原先包含的其他可能性都消失了，剩下一种可能性。
　　这个波函数坍缩就好比掷硬币，当硬币还在空中时，它落地正反面朝上的概率均为50，而一旦落地，那要么正面朝上，要么反面朝上，两者必居其一。
　　这个解释是相当奇怪的。就波函数会坍缩这一点，显然说明它是一种实实在在的东西。但是，它又只是一种概率。我们在经典物理学中遇到的那些可测量的量，比如电子的电荷、椅子的位置、馅饼的质量等等，都代表了物质本身的一种明确属性，而不是概率。波恩的解释似乎暗示，只有当我们测量了一个量子，让其波函数“坍缩”到一个特定结果之后，我们才能真正地谈论它。再说，为什么我们一测量，波函数就会坍缩？坍缩的机制是什么？这一切波恩自己也说不清。
　　波恩的解释引起了各种棘手的问题。首先，在量子实验中，看来测量的作用是非常大的，因为它能使波函数坍缩，从各种可能性变为一种确定性。但什么算是测量呢？量子实验已经表明，测量似乎不仅涉及仪器，还涉及观察者的有意识的注意（比如说，一台仪器已经对某个量子进行了测量，而且得到了结果，但在你还没去查看结果之前，波函数还是没有坍缩）。那么在我们“看”之前什么是“真实的”？当我们强迫波函数坍缩成一个结果时，原先包含在波函数中的其他可能性究竟发生了什么，以至于消失了呢？
　　“宇宙分裂器”的由来
　　“宇宙分裂器”作为解决这些难题的一种尝试诞生了。1950年代，美国普林斯顿大学一位名叫休埃弗雷特的博士生发表了有史以来最令人匪夷所思的博士论文。他提出，薛定谔的波函数根本不会坍缩，并且当我们进行测量时，编码在波函数中的其他可能性实际上也没有消失。取而代之的是，每当有人进行测量时，宇宙就会分裂成若干个与可能结果数量相当的宇宙连同进行测量的仪器、人以及其他一切，在每个宇宙中都有其副本。这个解释被称为“多世界解释”。
　　宇宙和我们自己以这种方式增殖，这在科学上既不能证实，也不能证伪，所以在某种程度上是一个哲学或玄学问题。但对于“多世界解释”的拥趸来说，这是一门严肃的科学。牛津大学的大卫多伊奇是最忠实的拥护者之一，他曾经在一次纪念埃弗雷特的会议上，以这样的发言开头“我要从一个简单的事实开始：在这间房子里，在附近的一些宇宙中，休埃弗雷特和我们在一起，也在庆祝。”事实上，埃弗雷特在1982年就去世了，年仅51岁，他死于暴饮暴食、酗酒和无节制的吸烟至少在多重宇宙我们现在所在的这个分支宇宙中，他已经死了。
　　这个“多世界解释”意味着，在宏观的经典世界中，如果我们把我们的命运或面临的选择比如此刻，要蛋糕还是馅饼？“捆绑”到量子世界正在让宇宙分裂的测量上去，我们就可以确保所有结果都能在多重宇宙的某个宇宙中发生。这意味着，无论我们做什么选择，所有可能性中最好的也罢，最坏的也罢，都会成为一种现实，只是在不同分支的宇宙中实现而已。这些宇宙在分裂的那一刻，唯一不同点在于选择了不同的可能性，其他方面则完全一样（比如，一个宇宙中的“你”选择了蛋糕，另一个宇宙中的“你”选择了馅饼，至于你本人、你家人、北京、上海在两个宇宙中那是完全一样的）。就是这就是“宇宙分裂器”app声称要做的。
　　根据这款app开发商的宣传，在“宇宙分裂器”app中输入你要做出选择的两个可能结果，然后按下按钮之后，它将连接到瑞士日内瓦一家实验室的一个量子器件上。该器件向部分镀银的镜子发射单个光子。光子遇到镜子有两种可能：50的概率反弹回来；50的概率透过去。按“多世界解释”，当光子遇到镜子，宇宙就分裂成了两个：如果在我们这个世界，该光子反弹回来，被你用探测器探测到了，那么在另一个世界，该光子则透过去了，等待着探测反弹光子的探测器，将一无所获。
　　如果该实验装置测量到了反弹光子，而光子“反弹”对应“蛋糕”的选择，那么app就告诉你应该选择蛋糕。
　　“多世界解释”面临的困境
　　上面介绍的“宇宙分裂器”app多少像个噱头，我们暂且撇开不管。现在谈谈困扰着“多世界解释”的一个问题。
　　前面提到，在“多世界解释”中，量子测量的每一个可能结果都将以100的确定性发生。但我们最早不是说，薛定谔波函数中包含有各种可能结果的概率信息吗？那么，那些概率究竟意味着什么呢？
　　这是埃弗雷特“多世界解释”思想的最大绊脚石：因为既然所有可能性都能100确定地发生，那你得解释为什么量子力学看起来是由概率统治的。
　　为了让你明了，这里不妨举个例子。比如说一个光子遇到半镀银的镜子，一种情况是“反弹回来的概率是20，透射过去的概率是80”；另一种情况是“反弹回来的概率是70，透射过去的概率是30”。这在我们看来，显然是两种不同的情况。但是，按埃弗雷特的“多世界解释”，不管光子反弹或透射的概率是多少，反弹和透射都将以100的概率完全确定地发生。那这样一来，上述两种有着不同反弹（或透射）概率的情况，就没有任何区别了。
　　以色列特拉维夫大学的物理学家列夫瓦德曼提出一种办法来克服涉及“多世界解释”的概率问题。他的解释被称为“自我定位的不确定性”。他用一个思维实验来说明这一点。
　　想象一下，你吞服下一片安眠药，睡在一间放有一只保险箱的房间里。睡前你就知道，当你睡着之后，其他人会做一个量子实验比如说，对着半镀银的镜子发射一个光子并根据结果决定，要么在保险箱里放100万美元，要么什么都不放。根据“多世界解释”，实验结束后，宇宙分裂成两个：在一个宇宙里，保险箱里放了100万美元；在另一个宇宙，保险箱里空空如也。当然，睡着的你也分裂成了两个。如果你是全知全能的上帝，置身在这两个分裂的宇宙之外，哪个宇宙中的保险箱里藏有100万美元，当然是一目了然的。但问题是，你不是上帝，你只能出现在两个分支宇宙中的一个。所以，当你醒来时，你并不知道自己处于分裂后的哪个宇宙。所以，你为了知道保险箱里的情况，不得不去猜测。比如说，有50的概率，保险箱里放了100万美元；有50的概率，保险箱里一分钱都没有。于是在“多世界解释”的剧情中，概率就出现了。这里之所以出现概率，是因为在宇宙分裂之后，我们无法确定自己出现在多重宇宙的哪一个分支。
　　不知上述解释让你信服没有？如果你没想明白也不要紧，因为很多理论家也跟你一样想不明白。你越想，你会感觉这个问题越深奥、越头疼。比如，你还可以继续追问：当宇宙分裂时，“我”意味着什么？在上面那个思维实验中，进入睡眠的“我”和醒来的“我”是一样吗？还有，在量子力学的传统观点中，测量是塑造现实（迫使波函数坍缩，让其结束各种可能性的混合状态，选择一种确定的结果呈现）的一种手段，而在“多世界解释”中，测量似乎是我们用来分裂宇宙的手段。两种解释同样都那么玄乎，我们该选择信哪一个呢？在这个问题上，难道我们也要按一下“宇宙分裂器”来做决定吗？