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，也許正感到快樂或悲傷，你可能是個富翁也可能是個窮鬼，甚至可能已經(jīng)死掉了。

　　答案是“有這種可能。”平行宇宙是一個頗有爭議的說法，但是在過去幾十年里，它收獲了越來越多的追隨者。

　　對量子疊加態(tài)的一種解釋

　　平行世界起源于微觀尺度下的物理學(xué)。二十世紀初，物理學(xué)家創(chuàng)造并發(fā)展了量子力學(xué)來理解微觀尺度下的世界。這個理論認為，微觀世界的現(xiàn)實很模糊。微觀粒子，如電子，不需要擁有特定的位置，它可以同時處于不同的位置。它們還可以同時擁有其他我們原本認為并不相容的性質(zhì)。當粒子擁有這樣的性質(zhì)時，物理學(xué)家就說它們處于不同狀態(tài)的疊加態(tài)。

　　實驗已經(jīng)證明疊加態(tài)是真實存在的。即使是像足球烯（含有60個原子）一樣大的分子也可以同時處于不同的位置。

　　為什么我們看到的粒子只會處于特定的位置上？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)自身并沒有給出這個問題的答案。一種可能是，量子力學(xué)并不是描述這個世界完善的理論。也許自然界遵循另一種運行機制，這種機制我們暫時還不理解。在微觀世界中，現(xiàn)實也許是模糊不清的，但是一旦涉及到宏觀物體，例如觀測者或者測量儀器，微觀物體就不再處于疊加態(tài)了。

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

　　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，當一個粒子處于A狀態(tài)和B狀態(tài)的疊加態(tài)，觀察者的測量讓自己進入觀察到粒子處于‘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)不能決定測到A還是B，但它也沒有將兩者混合起來。描述體系所處狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達式可以分為兩部分，每個部分描述的是一個世界，在這個世界中，實驗者正好看到了兩種可能性中的一種。

　　很多過程會導(dǎo)致世界分裂

　　物理學(xué)家的測量是唯一會引起世界分裂的手段嗎？當然不是。測量本質(zhì)上是測量儀器與疊加態(tài)之間發(fā)生相互作用，其他的物理過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方向傳播的疊加態(tài)上。如果沿著其中一個方向傳播的射線射向地球上的一塊晶體，那么射線的照射會在晶體上留下軌跡。晶體能有效地測量光線的位置。因為光線處于射向晶體和不射向晶體的疊加態(tài)上，晶體進入了留有痕跡和沒有痕跡的疊加態(tài)。

　　當沒有觀測者時，你可以認為世界從一開始就在進行分裂。“根據(jù)多世界理論的說法，這從宇宙大爆炸時就已經(jīng)開始了。”劍橋大學(xué)的量子物理學(xué)家阿德里安·肯特說，“宇宙可能始于一個單一的量子態(tài)，但它很快就變成了對宇宙的許多不同描述的疊加。在這些分支中，地球會形成。而在其中一些分支中，地球不會形成。在地球形成的一些分支中，我們會進化，而在其他一些分支中，我們不會進化。”

　　哪一個我才是真實的

　　但為什么我們從來沒有發(fā)現(xiàn)另外一個自己？為什么我們從來沒有看到像冰箱或人這樣的宏觀物體同時出現(xiàn)在多個地方？

　　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)實可能以我們未知的方式分裂，這樣觀測者就會看到一個電子并不處于特定的位置上。但埃弗雷特沒有考慮到外界的影響。當電子與外部環(huán)境發(fā)生相互作用，例如高速運動的光子或宇宙射線，“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法察覺——觀測者在觀察電子時只能看到一個確定的結(jié)果。這個過程叫做退相干，它發(fā)生的速度非常快。

　　由于人和冰箱一直與無數(shù)的粒子發(fā)生相互作用，退相干效應(yīng)會將它們限制在某一個單一的軌跡上面：它們不會在某一時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，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。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，‘所有不同的分支’都是真實的。”肯特說，“這些分支里有很多個‘你’，要問哪一個是真實的是沒有意義的，因為這些拷貝都是真實的。直到世界發(fā)生分裂之前，所有的拷貝都擁有相同的記憶。在很短一段時間后，拷貝之間會產(chǎn)生微小的差別，隨著時間的流逝，差別會越來越大。”

　　多世界的觀點可能不符合常識，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支，在每個分支里，世界就是他們看到的那樣。他們擔心，要讓退相干理論有效地描述現(xiàn)實需要引入額外的假設(shè)。

　　另一個問題是，數(shù)學(xué)為世界的不同分支引入了看起來像概率的東西。但是，如果所有的分支都是同樣真實的，那么說一個分支比另一個分支更具可能性是什么意思呢？（來源：微信公眾號“中科院物理所”）