游丹南

不確定的世界

“你是否相信，月亮只有在看著它的時候才真正存在？”

愛因斯坦在一次散步中，向他旁邊的學(xué)生提出了上面這個問題。看似玩笑的話，其實(shí)源于愛因斯坦對量子理論的質(zhì)疑。

量子理論是有史以來最成功的科學(xué)理論，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果極為相符。不過，它有個大問題——測量問題。

實(shí)驗(yàn)表明，電子等微觀粒子可以像水波一樣發(fā)生干涉，說明它們具有類似波的性質(zhì)。然而，如果你直接的觀察它們，它們就會變?yōu)橐粋€有著具體位置的粒子。

1926年，奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤提出了一個描述粒子波行為的方程。方程中，粒子的這種行為可以用一個被稱為波函數(shù)的數(shù)學(xué)實(shí)體來代表。波函數(shù)并不能肯定地告訴你，當(dāng)你觀察一個粒子時，它會出現(xiàn)在哪里。相反，它會告訴你，粒子會有多大的概率出現(xiàn)在某處。

但是在測量之前，粒子是處在什么狀態(tài)呢？最受歡迎的答案，稱為哥本哈根詮釋，是以量子理論先驅(qū)之一尼爾斯·玻爾所在的丹麥哥本哈根大學(xué)命名的。哥本哈根詮釋是說，一個粒子在觀察之前的狀態(tài)就是不確定的。這里的不確定，可不是指這個粒子處在某種我們不知道的狀態(tài)，而是這個粒子如同有了分身術(shù)一樣，能同時處在所有可能的狀態(tài)中。當(dāng)對它進(jìn)行觀測時，其波函數(shù)會發(fā)生突變，從一個不確定的狀態(tài)變?yōu)橐粋€確定的“真實(shí)”狀態(tài)。這種突變過程被稱為波函數(shù)坍縮。

換句話說，當(dāng)我們不注意時，這個世界是模糊的和不確定的。只有通過看著它們、觀察它們、測量它們，我們才能使它們成為“真實(shí)的”。

既死又活的貓

然而，哥本哈根詮釋與我們?nèi)粘Ｉ畹捏w驗(yàn)大相徑庭，甚至連薛定諤本人都接受不了。為了表明其荒謬性，薛定諤提出了一個著名的思想實(shí)驗(yàn)：想象一個密封的盒子，里面有著一個放射性物質(zhì)和一只貓。這個放射性物質(zhì)的波函數(shù)告訴我們，在一定時間內(nèi)，它有一半的概率發(fā)生衰變。如果發(fā)生衰變，盒子內(nèi)的機(jī)關(guān)會打破一個有毒的藥罐，那只貓就會因此而死掉。

問題就來了：在你打開這個盒子之前，這只貓?zhí)幱谑裁礌顟B(tài)？哥本哈根詮釋認(rèn)為，在你打開這個盒子之前，放射性物質(zhì)同時處在沒有衰變和發(fā)生衰變的狀態(tài)中，這意味著貓也同時處在既是活的又是死的狀態(tài)中。薛定諤本人覺得，貓既活又死，是一件很荒謬的事情。

如果你把這個裝著貓的盒子推廣到整個宇宙，那麻煩就更大了。我們當(dāng)前的宇宙，是因?yàn)槲覀冇^測了它，所以成了今天的恒星和星系。但是，如果沒人觀測的話，那么，現(xiàn)在宇宙粒子的波函數(shù)就不會發(fā)生坍縮，它們的位置也就是不確定的。位置不確定，也就無法確定地說哪里物質(zhì)多，哪里的少，也就因此沒有恒星和星系，宇宙會始終處于“混沌”狀態(tài)。

這簡直讓人一頭霧水！

多重世界理論

我們不觀測，宇宙粒子的波函數(shù)就不會發(fā)生坍縮，也就是說，在我們觀測之前，宇宙不是現(xiàn)在這個樣子。這根本不可能！既然哥本哈根詮釋有著這么多問題，那么如何解釋現(xiàn)在的宇宙呢？

現(xiàn)在我們就來看看物理學(xué)家提出的其他種類的詮釋。

一個較為著名的是多世界詮釋。它的出發(fā)點(diǎn)就是波函數(shù)從來就不會發(fā)生坍縮，一個粒子從始至終都會分身術(shù)。對量子物體測量后，每一個可能的觀測結(jié)果都會出現(xiàn)。那么，為何我們只會看到一種結(jié)果呢？多世界詮釋認(rèn)為，宇宙在觀測后會“分裂”出多個平行世界，而每個觀測結(jié)果都分別位于它自己的世界中。這意味著打開盒子后，薛定諤的貓仍是既活又死，只不過每個狀態(tài)處在不同的世界中。（見圖示“誰殺死了薛定諤的貓？”）。

多重世界理論雖然能解決問題，但與此同時，它卻帶來了“平行世界”這個很富有爭議的概念。一些物理學(xué)家又提出了另一種詮釋：客觀坍縮理論。

自發(fā)地坍縮

客觀坍縮理論第一次是在20世紀(jì)70年代提出來的，后來經(jīng)過許多物理學(xué)家不斷地完善。它認(rèn)為，波函數(shù)的確會坍縮，但坍縮可以是自發(fā)地隨機(jī)地發(fā)生。換句話說，波函數(shù)坍縮可以不需要觀察者。

理論表明，客觀坍縮是一件罕見的事情。一個粒子的波函數(shù)要發(fā)生客觀坍縮，等待的時間可能會長過當(dāng)前宇宙的年齡。然而，如果把許多粒子集中在一起，粒子間的相互作用，會使得等待的時間急速地縮短。如果有幾十億個粒子聚在一起，那么你可能只需要等待幾秒鐘，就會發(fā)現(xiàn)波函數(shù)坍縮了。

有了客觀坍縮理論，就不存在既活又死的貓了，月亮也不會因沒人看就不存在了，因?yàn)橄褙埢蛟铝恋却蟮奈矬w有太多的粒子，它們的波函數(shù)早就坍縮了，也就是說，它們都是確定的。而在早期的宇宙中，粒子的波函數(shù)發(fā)生坍縮只是一個時間問題。坍縮后，粒子就有了確定的位置，接下來，它們在引力的作用下，為恒星和星系的形成留下了種子（見圖示“這一切如何開始的？”），然后形成我們今天的可觀測宇宙。

但科學(xué)家們并不能解釋為什么會發(fā)生坍縮。英國牛津大學(xué)的物理學(xué)家羅杰·彭羅斯給出了一個可能的解釋，認(rèn)為是引力驅(qū)使了波函數(shù)的坍縮，但目前物理學(xué)家們還沒有達(dá)成共識。

解答其他宇宙之謎

不過，客觀坍縮理論在基礎(chǔ)物理學(xué)中正發(fā)揮不可思議的作用，它不僅可以解決許多量子理論中的問題，而且還可以解答眾多其他的宇宙之謎。

黑洞就是一個例子。這個由愛因斯坦的廣義相對論創(chuàng)造出來的怪物，可以吞噬周圍的一切，就連宇宙中運(yùn)動最快的光也無法從中逃離。近40年來，物理學(xué)家們一直被一個問題困擾著。如果哥本哈根詮釋是正確的話，那么波函數(shù)坍縮得需要觀察者，那么誰是那個黑洞內(nèi)的觀察者呢？對于客觀坍縮理論，那么問題就很簡單了——波函數(shù)坍縮不需要觀察者。

客觀坍縮理論還告訴我們，粒子的波函數(shù)自發(fā)地發(fā)生坍縮后，粒子還會釋放出微小的能量。這種能量很小，我們很難在日常生活中察覺到。但這種能量遍布宇宙，如果把它們都統(tǒng)計(jì)起來，總能量可能會很大。一些物理學(xué)家相信，這種能量就是暗能量。

上個世紀(jì)90年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，有種未知的東西正使得宇宙加速膨脹。這種未知的東西被稱為暗能量。不確定性原理告訴我們，即使什么都沒有的真空，也包含著某些東西——真空里，會有一對對的虛粒子不斷產(chǎn)生和湮滅。虛粒子也攜帶能量，意味著真空也具有能量。一些物理學(xué)家認(rèn)為暗能量也許就是真空能，但問題是，根據(jù)理論得出的真空能量密度，比實(shí)際測得的暗能量密度大多了，前者大約是后者的10120倍。

2016年，墨西哥國立自治大學(xué)的物理學(xué)家丹尼爾·蘇達(dá)爾斯基與他的同事經(jīng)過計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，客觀坍縮創(chuàng)造的能量也許就是暗能量的來源。這個結(jié)果與天文學(xué)觀測很吻合，這鼓舞了科學(xué)家們更加深入地研究客觀坍縮理論。

客觀坍縮理論是否正確？也許，我們還需要很多年的探索，才能真正解決我們最成功的科學(xué)理論中的最大難題。