平行宇宙真的存在嗎?(深度長文)

2020-12-05 知新了了

1954年,普林斯頓大學年輕的博士生休·埃弗雷特三世提出了一個激進的觀點:存在平行宇宙,就像我們存在的宇宙一樣。這些宇宙都與我們的有關,事實上,它們是從我們的分支中分離出來的,我們的宇宙也是從其他的分支中分離出來的。在這些平行宇宙中,我們的戰爭有著不同於我們所知的結果。在我們的宇宙中滅絕的物種已經進化並適應了其他物種。在其他宇宙中,我們人類可能已經滅絕了。

這種想法簡直讓人難以置信,但它仍然是可以理解的。與我們相似的平行宇宙或維度的概念出現在科幻小說中,並被用作形上學的解釋。但是,為什麼一個年輕有為的物理學家會冒著職業生涯的危險,提出一個平行宇宙的理論呢?

用他的多世界理論,埃弗雷特試圖回答一個與量子物理學有關的相當棘手的問題:為什麼量子物質的行為不穩定?量子水平是迄今為止科學探測到的最小水平。量子物理學的研究始於1900年,當時物理學家馬克斯·普朗克首次將這個概念引入科學界。普朗克對輻射的研究產生了一些與經典物理定律相矛盾的不尋常的發現。這些發現表明,在宇宙中還有其他的規律在起作用,它們在比我們所知道的更深的層次上運行。

海森堡不確定性原理

只用了很短的時間,研究量子層次的物理學家們就注意到了這個微小世界的一些奇特之處。首先,存在於這一層的粒子,有一種任意呈現不同形式的方式。例如,科學家們觀察到光子 —— 微小的光包 —— 扮演著粒子和波的角色。甚至單個光子也顯示出這種形狀變化。想像一下,如果一個朋友看了你一眼,你的樣子和行為都像一個實實在在的人,但當他再回頭看時,你已經變成了氣態。

這就是所謂的海森堡不確定性原理。物理學家維爾納·海森堡(Werner Heisenberg)提出,僅僅通過觀察量子物質,我們就能影響該物質的行為。因此,我們永遠不能完全確定量子物體的性質或其屬性,如速度和位置。

這一觀點得到了量子力學哥本哈根解釋的支持。這一解釋是由丹麥物理學家尼爾斯·玻爾提出的,認為所有的量子粒子並不存在於一種狀態或另一種狀態,而是同時存在於所有可能的狀態中。量子物體可能狀態的總和稱為它的波函數。一個物體同時處於所有可能狀態的狀態稱為疊加。

尼爾斯·玻爾認為,當我們觀察一個量子物體時,我們會影響它的行為。觀測破壞了物體的疊加,並從本質上迫使物體從波函數中選擇一種狀態。這個理論解釋了為什麼物理學家對同一個量子物體進行了相反的測量:物體在不同的測量中「選擇」了不同的狀態。

玻爾的解釋被廣泛接受,時至今日仍被量子學界的許多人所認可。但最近,埃弗雷特的多世界理論受到了一些嚴肅的關注。下面,我們一起去了解多世界解釋是怎樣的。

多世界理論

年輕的休·埃弗雷特同意著名物理學家尼爾斯·玻爾關於量子世界的許多建議。他認同疊加的概念,也認同波函數的概念。但是,埃弗雷特卻在一個至關重要的方面不同意玻爾的觀點。

對埃弗雷特來說,測量一個量子物體並不會強迫它進入一種或另一種可理解的狀態。相反,對一個量子物體所做的測量會導致宇宙的分裂。宇宙是完全複製的,為測量的每一個可能結果分裂成一個宇宙。例如,假設一個物體的波函數既是粒子又是波。當物理學家測量粒子時,有兩種可能的結果:它要麼被測量為粒子,要麼被測量為波。這種區別,使得埃弗雷特的多世界理論成為量子力學哥本哈根解釋的競爭者。

當物理學家測量物體時,宇宙分裂成兩個不同的宇宙,以容納每一個可能的結果。所以,一個宇宙的科學家發現這個物體是以波的形式被測量的。另一個宇宙中的同一個科學家把物體測量為一個粒子。這也解釋了一個粒子如何能在多個狀態下被測量。

儘管聽起來令人不安,但埃弗雷特對多個世界的解釋有著超出量子層面的含義。如果一個行為有不止一個可能的結果,那麼(假設埃弗雷特的理論是正確的)當這個行為發生時,宇宙就會分裂。即使一個人選擇不採取行動,這一點也是成立的。

這意味著,如果你曾經發現自己處於一種可能導致死亡的境地,那麼在與我們平行的宇宙中,你其實已經死了。這種猜想僅僅是一些人認為多世界解釋令人不安的原因之一。

多世界解釋的另一個令人不安的方面是,它破壞了我們對線性時間的概念。想像一下,一條時間線顯示了越南戰爭的歷史。而不是一條直線,只顯示值得注意的事件在向前發展。一條基於多世界解釋的時間線,將顯示每一項行動的每一個可能的結果。從那裡,所採取行動的每一個可能的結果(作為最初結果的結果)將被進一步記錄下來。

但是,一個人無法意識到他在平行宇宙中存在的其他自我,甚至他的死亡。那麼,我們怎麼知道多世界理論是否正確呢?上世紀90年代末,一個被稱為「量子自殺」(quantum suicide) 思維實驗(一個用於在理論上證明或反駁一個想法的想像實驗)證實了這種解釋在理論上是可行的。

這個思維實驗重新激起了人們對埃弗雷特理論的興趣,多年來埃弗雷特的理論一直被認為是垃圾。由於多世界解釋被證明是可能的,物理學家和數學家們就致力於深入研究這一理論的含義。但是,多世界的解釋並不是唯一試圖解釋宇宙的理論,也不是唯一一個表明存在與我們平行的宇宙的理論。

如果你還有興趣,我們就在下文中一起去了解 「弦理論」。

平行宇宙:分裂還是弦?

多元世界理論和哥本哈根解釋並不是唯一的競爭對手,儘管它們都試圖解釋宇宙的基本層次。事實上,就連量子力學也都不是物理學中尋找這種解釋的唯一領域。從亞原子物理學研究中產生的理論仍然是理論。這使得研究領域的劃分與心理學界的劃分大致相同,也都存在著支持者和批評者。

自從他們的科學發展起來,物理學家們就一直致力於對宇宙進行逆向工程。他們研究他們所能觀察到的東西,並朝著物理世界的越來越小的層次倒退。通過這樣做,物理學家們正試圖達到最後和最基本的水平。他們希望,正是這個層面,將成為理解其他一切的基礎。

根據著名的相對論,阿爾伯特·愛因斯坦終其一生都在尋找能回答所有物理問題的最後一個層次。物理學家把這個幻影理論稱為萬有理論。量子物理學家相信他們正在尋找最終的理論。但是,另一個物理學領域認為量子能級不是最小的能級,因此它不能提供萬物理論。

這些物理學家轉而求助於一個叫做弦理論的理論亞量子層次,來尋找所有生命的答案。令人驚奇的是,通過他們的理論研究,這些物理學家,就像埃弗雷特一樣,也得出了平行宇宙存在的結論。

弦理論是由日裔美國物理學家小谷聰 (Kaku)提出的。他的理論認為,宇宙中所有物質以及所有物理力的基本組成部分,比如引力,都存在於亞量子水平。這些構建塊類似於組成夸克(量子粒子)的小橡皮筋(或者成為:弦),然後是電子、原子和細胞等等。弦產生了什麼樣的物質以及物質的行為取決於弦的振動。我們整個宇宙就是這樣組成的。根據弦理論,這個組合發生在11個不同的維度上。

和多世界理論一樣,弦理論證明了平行宇宙的存在。根據這個理論,我們的宇宙就像一個氣泡,與類似的平行宇宙共存。與多世界理論不同,弦理論假設這些宇宙可以相互接觸。弦理論認為引力可以在這些平行宇宙之間流動。當這些宇宙相互作用時,就會發生大爆炸,就像創造我們宇宙的大爆炸一樣。

雖然物理學家們已經成功地創造出能夠探測量子物質的機器,但亞量子弦尚未被觀測到,這使得它們,以及它們賴以建立的理論完全是理論上的。儘管有些人認為這是正確的,但也有不少人對此表示懷疑。

那麼平行宇宙真的存在嗎?根據多世界理論,我們不能真正確定,因為我們不能意識到它們。弦理論至少已經被測試過一次,而結果是否定的。但Kaku博士仍然相信平行維度確實存在。

可惜,愛因斯坦活得不夠久,看不到他對萬有理論的追求被別人取代了。也許,如果多世界理論是正確的,愛因斯坦一定還活在一個平行的宇宙中。也許在那個宇宙中,物理學家們已經發現了萬有理論。

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