科學史上最離奇的佯謬

楊建鄴

前十來年有一個很受歡迎的電視連續劇《時光隧道》,讓觀眾大大地享受了一下幻想的樂趣。劇中的主人公通過一種叫“時光隧道”的機器,可以隨心所欲地回到過去任何一個時代(也有一次由于不小心弄錯了,回到一個與預先設計不同的時代)。于是發生了種種有趣的事情。類似的幻想故事還多得很,其中最迷人的地方也許是由于主人公偶然干預了幾百年前的事件過程,結果出現了與歷史課本上完全不同的歷史。打個比方:由于主人公偶然的干預,武媚娘沒有被皇帝寵幸,于是唐朝出現了一個與現在中國歷史不同的,沒有武則天的歷史……。

這很有趣,可以充分發揮和滿足人的想象力,讓人海闊天空、天南海北地遐想。但是人人都知道這是科學幻想,不是事實,因此不會信以為真。但是在1957年,美國普林斯頓大學有一位叫埃弗雷特(Hugh Everett)的著名物理學家在一篇文章中卻說,在我們這個“現實的”宇宙之外,本來就存在著與我們這個宇宙不同的許許多多彼此“平行的”、不連通的宇宙,而且它們都是同樣的真實。

這是真的嗎?該不又是一個科幻故事吧?是真的,不是科幻故事。埃弗雷特的這個假說現在被正兒八經地稱之為“多世界詮釋”(或“多世界理論”)。盡管目前還有許多科學家對這個理論持一定的懷疑態度,但是這個詮釋卻似乎越來越被人們看好。

你也許想知道這個過于離奇的詮釋?那你就得知道科學史上最離奇的佯謬——薛定諤的貓。這可真是不太容易,因為這涉及到最難懂的量子力學。但是,現在有一本書,也許可以比較容易地和最大限度地滿足你的這一個要求。這就是英國的科學家約翰·G·格利賓寫的科普著作:《尋找薛定諤的貓》(1984,中譯本中還將他在1995年寫的續集《薛定諤的小貓》收進去了)。格利賓是一位著名的科學家和科普作家,他的著作在我國翻譯出版了好幾本,例如上海科技教育出版社出版的《大爆炸探秘》、《迷人的科學風采——費恩曼傳》(與他的夫人合著)等等。

在《尋找薛定諤的貓》這本書中,格利賓通俗而又準確地向我們介紹了1935年“薛定諤的貓”這個最離奇的佯謬提出的原因,以及六十多年來為解決這一佯謬科學家付出的努力,最后討論了1957年埃弗雷特的“多世界詮釋”和對未來的展望。

一切都起因于愛因斯坦提出的光子說。

把光看成是一種粒子(即“光子”),可惹出了大麻煩!如果我們承認光是一種粒子,那么我們如何來解釋光的衍射?要知道,光的衍射效應可是區別“光是粒子還是波”的一個關鍵性實驗呀!但后來的實驗的的確確證明了:光既是一種波,又同時是一種粒子。這個圖像真是太離奇了。薛定諤的貓以及其他許多佯謬,都起源于這一矛盾而離奇的圖像。為了解決這一矛盾離奇的圖像,哥本哈根學派的物理學家提出了一種解釋(即“幾率波”的解釋):我們說光是一種波動,是指光是一種“幾率波”;是指在衍射圖像上光子(或者電子、原子等等)出現的幾率:在衍射明條紋上發現粒子的幾率大,在衍射暗條紋上發現粒子的幾率小。顯然,這一解釋表明自然法則中存在著一種根本的隨機性。愛因斯坦對這一解釋很是不滿,并且說了一句很有名的話:“我不相信上帝會玩擲骰子。”后來愛因斯坦還提出一個“EPR佯謬”來反駁哥本哈根的解釋。但是,現在實驗已經證明愛因斯坦的這一反駁失敗了。

與愛因斯坦提出反駁的同時,薛定諤也提出“薛定諤的貓”這一佯謬來反對哥本哈根的解釋。這一佯謬簡單地說是這樣的:在一個盒子里,用一個放射性原子的衰變來觸發一個裝有毒氣的瓶子的開關,毒氣可以毒死同時放在盒子里的貓。按哥本哈根學派的解釋,放射性原子的衰變可以用波函數來描述;當用波函數描述不同狀態的組合時(如放射性元素“衰變了”或“沒有衰變”這兩種狀態的組合),我們稱之為“波的迭加態”;在沒有打開盒子時,放射性原子進入了衰變與不衰變的迭加態,由此貓也成了一只處于迭加態的貓,即又死又活、半死半活、處于地獄邊緣的貓。正像哈姆雷特王子所說:“是死,還是活,這可真是一個問題。”只有當你打開盒子的時候,迭加態突然結束(在數學術語就是“坍縮(collapse)”),哈姆雷特王子的猶豫才終于結束:我們知道了貓的確定態:死,或者活。哥本哈根的幾率詮釋的優點是:只出現一個結果,這與我們觀測到的結果相符合。但是有一個大的問題:它要求波函數突然坍縮。但物理學中沒有一個公式能夠描述這種坍縮。盡管如此,長期以來物理學家們出于實用主義的考慮,還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價是:違反了薛定諤方程。這就難怪薛定諤一直耿耿于懷了。

哥本哈根詮釋在很長的一段時間成了“正統的”、“標準的”詮釋。但那只不死不活的貓卻總是像惡夢一樣讓物理學家們不得安寧。格利賓的這本書想告訴我們的是,哥本哈根詮釋在哪兒失敗,以及用什么詮釋可以替代它。

1957年,埃弗雷特提出的“多世界詮釋”似乎為人們帶來了福音,雖然由于它太離奇開始沒有人認真對待。格利賓認為,多世界詮釋有許多優點,由此它可以代替哥本哈根詮釋。我們下面簡單介紹一下埃弗雷特的多世界詮釋。

在波函數的迭加態沒有坍縮之前,在處于迭加態的觀測者看來,每一個態都可以看成是一些備選的平行世界。以薛定諤的貓來說,格利賓在書中寫道:“埃弗雷特……指出兩只貓都是真實的。有一只活貓,有一只死貓,但它們位于不同的世界中。問題并不在于盒子中的放射性原子是否衰變,而在于它既衰變又不衰變。當我們向盒子里看時,整個世界分裂成它自己的兩個版本。這兩個版本在其余的各個方面都是全同的。唯一的區別在于其中一個版本中,原子衰變了,貓死了;而在另一個版本中,原子沒有衰變,貓還活著。”

也就是說,上面說的“原子衰變了,貓死了;原子沒有衰變,貓還活著”這兩個世界將完全相互獨立地演變下去,就像兩個平行的世界一樣。格利賓顯然十分贊賞這一詮釋,所以他接著說:“這聽起來就像科幻小說,然而……它是基于無懈可擊的數學方程,基于量子力學樸實的、自洽的、符合邏輯的結果。”“在量子的多世界中,我們通過參與而選擇出自己的道路。在我們生活的這個世界上,沒有隱變量,上帝不會擲骰子,一切都是真實的。”按格利賓所說,愛因斯坦如果還活著,他也許會同意并大大地贊揚這一個“沒有隱變量,上帝不會擲骰子”的理論。

這個詮釋的優點是:薛定諤方程始終成立,波函數從不坍縮,由此它簡化了基本理論。它的問題是:設想過于離奇,付出的代價是這些平行的世界全都是同樣真實的。這就難怪有人說:“在科學史上,多世界詮釋無疑是目前所提出的最大膽、最野心勃勃的理論。”

當然,格利賓也知道,還有許多技術上的難題還等待我們去解決。所以他寫道:“我們要么不得不接受哥本哈根的詮釋,連同他那幽靈般的現實和半死半活的貓;要么接受埃弗雷特的多世界詮釋。當然,可以認為科學市場上的‘最好的家伙都是不正確的;這兩種選擇都是錯的。關于量子力學的現實,可能還有另一種解釋,它既能解決哥本哈根詮釋和埃弗雷特的詮釋已經解決的所有問題……。但是如果你認為這是一個輕松的選擇,一條容易走出困境的路,那么你必須記住任何這種‘新的解釋都必須能夠解釋自從普朗克在黑暗中取得突破以來的所有成就;在解釋萬物方面,它必須與目前這兩種理論一樣好,或者更好。的確,守株待兔似的等待某人會對我們的問題提出一個好的答案,這不是科學的態度。在沒有更好的答案情況下,我們就不得不正視目前能得到的最好答案。”

我們也許記得,在二十世紀二十年代,有一位物理學家聲稱他有一個理論可以解決量子理論的基本問題時,玻爾說:“你的理論的確美妙,但是還沒有美妙到真實的程度。”格利賓現在認為,埃弗雷特的理論“確實已經美妙到真實的程度,在尋找薛定諤的貓方面,這個理論可以給出一個合適的答案”。由此可見格利賓對埃弗雷特的多世界詮釋抱有多么大的信心。

好了,作為介紹,我已經寫得太多了,只能到此為止。如果你看了我的介紹,也想尋找薛定諤的貓,了解其中詳細的內容,那你最好還是看格利賓寫的這本非常有趣的書。只要你有一點點耐心,你一定可以看懂。這本書寫的的確很好,是目前有關這一內容寫得最好的書。我可以保證這一點。

(《尋找薛定諤的貓》,[英] 約翰·R·格利賓著,張廣才等譯,海南出版社2001年版 34.80元)