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四三 多世界:量子力學送給科幻的一個禮物

時空旅行:曾經的玄幻主題

早在1895年,威爾斯(H.G.Wells)就在小說《時間機器》(The Time Machine)中想像利用「時間機器」在未來世界(公元802701年!)的歷險。這就是時空旅行(或時空轉換)。在當時,雖然「機器」讓這一想像有了一點「科學」色彩,但時空旅行這個概念本身還沒有任何科學依據,就像今天那些玄幻小說中的所謂「穿越」——我們可以理解為「迴避了科學手段的時空旅行」。

有趣的是,這一年正是愛因斯坦考大學名落孫山的那年——他不得不去讀了一年「高考複習班」,次年才上了大學,相對論還要等待10年才能問世。而正是相對論,使得「時間機器」從純粹的幻想變成了有一點理論依據的事情,因為不少科學家先後在愛因斯坦場方程中找到了允許時空旅行的解。

不過,如果人能夠時空旅行回到過去,就會在理論上產生一個嚴重問題。這個問題有多種表述,而展示得最為生動者,當數電影《未來戰士》(Terminator,1984—2009)系列。影片中約翰派遣自己的屬下回到過去,這位屬下還成了他的生父,這豈不是說,約翰的出生是約翰自己後來安排的?本來在我們的常識中,因果律是天經地義的——任何事情有因才會有果,原因只能發生在前,結果必然產生於後。但是人一旦可以回到過去,因果律就要受到嚴峻挑戰。這樣的事情,在物理學上被稱為「時間佯謬」。

這確實是一個難題。儘管已經在愛因斯坦場方程中找到了允許時空旅行的解,但「時間佯謬」還是成為時空旅行回到過去的一個有力反證,一些物理學家拒絕進行任何涉及時間機器的研究,也與這一點有關。可以這麼說,只要「時間佯謬」不解決,時空旅行就仍然只是一個缺乏足夠科學依據的玄幻主題。

愛武烈特的歸來

解決「時間佯謬」的方案出現在1957年。這個方案是量子力學帶來的。

在量子力學的發展中,自從「薛定諤的貓」攪和進來之後,就在下面這個問題上將物理學家逼到了牆角:量子系統可以是若干個量子態的疊加,可是測量行為只要一實施,量子態的疊加就會「坍縮」到某一個明確的(被觀測到的)經典態——這就是所謂的「量子力學的哥本哈根解釋」;那麼,造成這種坍縮的原因到底是什麼呢?

Nature雜誌的多世界專號封面提出「多世界解釋」的愛武烈特

1957年,一位名叫愛武烈特(Hugh Everett)的年輕人,在博士論文中,針對量子測量中波函數坍塌的疑難,提出了「量子力學的多世界解釋」(many world interpretation,常被縮寫為MWI),他認為,在量子測量過程中,其實並無所謂的「坍縮」,所有可能的態是共存的,具有同等的實在性,所有的可能性其實都實現了,只不過每一種可能性實現在一個個不同的宇宙中了。而且這樣的宇宙有無窮多個。

愛武烈特的想法雖然得到導師惠勒(J.Wheeler)的推薦,但在物理學界反應冷淡。愛武烈特曾在1959年去哥本哈根見玻爾(Niels Bohr),玻爾當然對自己的「哥本哈根解釋」堅信不疑,而對愛武烈特的「多世界解釋」不屑一顧。愛武烈特心灰意冷,逐漸退出了物理學界。不過塞翁失馬焉知非福,他後來在商界成功,成了百萬富翁。

到了20世紀70年代,德威特(B.S.De Witt)重新發掘了「多世界」理論,並在物理學界大力宣傳,MWI逐漸廣為人知——甚至出現了「愛武烈特主義」(Everettism)這樣的詞彙。愛武烈特也曾有過重返物理學界的想法,不幸他1982年死於心臟病,只好萬事消歇。「多世界解釋」現在據說已坐二望一,有對「哥本哈根解釋」後來居上之勢——例如它得到了史蒂芬·霍金的支持。

多世界:牆裡鞦韆牆外道

蘇東坡《蝶戀花·春景》詞下闋云:「牆裡鞦韆牆外道。牆外行人,牆裡佳人笑。笑漸不聞聲漸悄,多情卻被無情惱。」描述了牆外行人與牆裡鞦韆少女之間那種微妙的心理活動。如將這種描述移用來隱喻物理學界和科幻界對「多世界」理論的感受,或許不無某些暗合之處。如果說隨著愛武烈特退出物理學界,他發出的「多世界」笑聲就此「笑漸不聞聲漸悄」的話,那麼科幻界的「牆外行人」卻為此浮想聯翩。

「多世界解釋」後來被以時空旅行為主題的作品廣為借鑒。在莫考克(M.Moorcock)的系列小說Eternal Champion Stories中,已經出現了「平行宇宙」(multiverse,有時也用parallel universes、parallel worlds等,所指相同)的名稱,它被後來的小說家們廣泛使用。而圖解「平行宇宙」最直觀的電影,當數《平行殲滅戰》(The One,2001,中文譯名有《救世主》、《宇宙追緝令》、《最後一強》等)。

按照影片中的故事,我們生活在「自己的」宇宙中,但是宇宙並不是只有一個,而是有125個,這些宇宙就被稱為「平行宇宙」。人類除了在自己生活於其中的宇宙之外,每個人在其餘的宇宙中也存在著。對每個個人來說,其餘宇宙中的「自己」就是自己的「分身」。利用蟲洞(wormhole),可以在這些平行宇宙之間往來。人類已經有能力製造蟲洞,可以隨意開啟和關閉蟲洞。但按照當時的法律,個人並不能在平行宇宙之間隨便往來,這種時空旅行受到時空特警當局的嚴格管制。

德威特後來在闡述「多世界解釋」有一段名言:「宇宙的任何一個遙遠的角落的任何一個星系中任何一個星球上發生的任何一次量子躍遷,都將把我們這裡的世界分裂成自己的億萬個拷貝。」從這句常被引用的話中,我們甚至已經可以依稀看見「分身」的影子。

「多世界解釋」在時空旅行幻想故事中的「科學」作用,就是消除「時間佯謬」對傳統因果律的挑戰:通過時空旅行回到過去干預歷史的結果,只是展現了「另一個」世界(或歷史)而已。例如《未來戰士》中約翰派遣自己的屬下回到過去,和他的母親相戀而成為他的生父,一個新的歷史分支隨即產生,這個分支中,這名屬下是約翰的生父;而與此同時,原有的那個歷史分支也平行存在著,在那個分支中,這名屬下並不是約翰的父親。

不過,「多世界」雖然有一個高貴的量子力學「出身」,這個高貴的出身為許多幻想作品披上了華麗的「科學」罩袍,但它自身卻還沒有在物理學殿堂中取得固定席位,因為它還無法躋身於「科學理論」之例。要成為「科學理論」,必須得到實驗或觀察的驗證,或者至少在理論上指出這種驗證或觀察的路徑,但我們目前還無法驗證「平行宇宙」的存在。如果這些宇宙之間能夠溝通和交往,那或許就有了某種驗證或觀察的路徑,但目前這種溝通和交往也只存在於幻想中。所以連惠勒最後也不得不承認,愛武烈特的觀點只能提供一些「想法」——實際上是「猜想」。

也許,「多世界」就是物理學「牆裡佳人」的一陣笑聲,笑聲隨著春風飄散,無意中成為她們留給多情的科幻「牆外行人」的一件禮物。