科學(xué)史上最離奇的佯謬

楊建鄴

前十來(lái)年有一個(gè)很受歡迎的電視連續(xù)劇《時(shí)光隧道》,讓觀眾大大地享受了一下幻想的樂(lè)趣。劇中的主人公通過(guò)一種叫“時(shí)光隧道”的機(jī)器,可以隨心所欲地回到過(guò)去任何一個(gè)時(shí)代(也有一次由于不小心弄錯(cuò)了,回到一個(gè)與預(yù)先設(shè)計(jì)不同的時(shí)代)。于是發(fā)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(yù)了幾百年前的事件過(guò)程,結(jié)果出現(xiàn)了與歷史課本上完全不同的歷史。打個(gè)比方:由于主人公偶然的干預(yù),武媚娘沒(méi)有被皇帝寵幸,于是唐朝出現(xiàn)了一個(gè)與現(xiàn)在中國(guó)歷史不同的,沒(méi)有武則天的歷史……。

這很有趣,可以充分發(fā)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(xué)幻想,不是事實(shí),因此不會(huì)信以為真。但是在1957年,美國(guó)普林斯頓大學(xué)有一位叫埃弗雷特(Hugh Everett)的著名物理學(xué)家在一篇文章中卻說(shuō),在我們這個(gè)“現(xiàn)實(shí)的”宇宙之外,本來(lái)就存在著與我們這個(gè)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(shí)。

這是真的嗎?該不又是一個(gè)科幻故事吧?是真的,不是科幻故事。埃弗雷特的這個(gè)假說(shuō)現(xiàn)在被正兒八經(jīng)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(xué)家對(duì)這個(gè)理論持一定的懷疑態(tài)度,但是這個(gè)詮釋卻似乎越來(lái)越被人們看好。

你也許想知道這個(gè)過(guò)于離奇的詮釋?那你就得知道科學(xué)史上最離奇的佯謬——薛定諤的貓。這可真是不太容易,因?yàn)檫@涉及到最難懂的量子力學(xué)。但是,現(xiàn)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(gè)要求。這就是英國(guó)的科學(xué)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(xù)集《薛定諤的小貓》收進(jìn)去了)。格利賓是一位著名的科學(xué)家和科普作家,他的著作在我國(guó)翻譯出版了好幾本,例如上?？萍冀逃霭嫔绯霭娴摹洞蟊ㄌ矫亍?、《迷人的科學(xué)風(fēng)采——費(fèi)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(zhǔn)確地向我們介紹了1935年“薛定諤的貓”這個(gè)最離奇的佯謬提出的原因,以及六十多年來(lái)為解決這一佯謬科學(xué)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(duì)未來(lái)的展望。

一切都起因于愛(ài)因斯坦提出的光子說(shuō)。

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(rèn)光是一種粒子,那么我們?nèi)绾蝸?lái)解釋光的衍射?要知道,光的衍射效應(yīng)可是區(qū)別“光是粒子還是波”的一個(gè)關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)呀!但后來(lái)的實(shí)驗(yàn)的的確確證明了:光既是一種波,又同時(shí)是一種粒子。這個(gè)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(xué)派的物理學(xué)家提出了一種解釋(即“幾率波”的解釋):我們說(shuō)光是一種波動(dòng),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(xiàn)的幾率:在衍射明條紋上發(fā)現(xiàn)粒子的幾率大,在衍射暗條紋上發(fā)現(xiàn)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(jī)性。愛(ài)因斯坦對(duì)這一解釋很是不滿,并且說(shuō)了一句很有名的話:“我不相信上帝會(huì)玩擲骰子?！焙髞?lái)愛(ài)因斯坦還提出一個(gè)“EPR佯謬”來(lái)反駁哥本哈根的解釋。但是,現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明愛(ài)因斯坦的這一反駁失敗了。

與愛(ài)因斯坦提出反駁的同時(shí),薛定諤也提出“薛定諤的貓”這一佯謬來(lái)反對(duì)哥本哈根的解釋。這一佯謬簡(jiǎn)單地說(shuō)是這樣的:在一個(gè)盒子里,用一個(gè)放射性原子的衰變來(lái)觸發(fā)一個(gè)裝有毒氣的瓶子的開(kāi)關(guān),毒氣可以毒死同時(shí)放在盒子里的貓。按哥本哈根學(xué)派的解釋,放射性原子的衰變可以用波函數(shù)來(lái)描述;當(dāng)用波函數(shù)描述不同狀態(tài)的組合時(shí)(如放射性元素“衰變了”或“沒(méi)有衰變”這兩種狀態(tài)的組合),我們稱之為“波的迭加態(tài)”;在沒(méi)有打開(kāi)盒子時(shí),放射性原子進(jìn)入了衰變與不衰變的迭加態(tài),由此貓也成了一只處于迭加態(tài)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(shuō):“是死,還是活,這可真是一個(gè)問(wèn)題?！敝挥挟?dāng)你打開(kāi)盒子的時(shí)候,迭加態(tài)突然結(jié)束(在數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)就是“坍縮(collapse)”),哈姆雷特王子的猶豫才終于結(jié)束:我們知道了貓的確定態(tài):死,或者活。哥本哈根的幾率詮釋的優(yōu)點(diǎn)是:只出現(xiàn)一個(gè)結(jié)果,這與我們觀測(cè)到的結(jié)果相符合。但是有一個(gè)大的問(wèn)題:它要求波函數(shù)突然坍縮。但物理學(xué)中沒(méi)有一個(gè)公式能夠描述這種坍縮。盡管如此,長(zhǎng)期以來(lái)物理學(xué)家們出于實(shí)用主義的考慮,還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價(jià)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(zhǎng)的一段時(shí)間成了“正統(tǒng)的”、“標(biāo)準(zhǔn)的”詮釋。但那只不死不活的貓卻總是像惡夢(mèng)一樣讓物理學(xué)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(lái)了福音,雖然由于它太離奇開(kāi)始沒(méi)有人認(rèn)真對(duì)待。格利賓認(rèn)為,多世界詮釋有許多優(yōu)點(diǎn),由此它可以代替哥本哈根詮釋。我們下面簡(jiǎn)單介紹一下埃弗雷特的多世界詮釋。

在波函數(shù)的迭加態(tài)沒(méi)有坍縮之前,在處于迭加態(tài)的觀測(cè)者看來(lái),每一個(gè)態(tài)都可以看成是一些備選的平行世界。以薛定諤的貓來(lái)說(shuō),格利賓在書中寫道:“埃弗雷特……指出兩只貓都是真實(shí)的。有一只活貓,有一只死貓,但它們位于不同的世界中。問(wèn)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(dāng)我們向盒子里看時(shí),整個(gè)世界分裂成它自己的兩個(gè)版本。這兩個(gè)版本在其余的各個(gè)方面都是全同的。唯一的區(qū)別在于其中一個(gè)版本中,原子衰變了,貓死了;而在另一個(gè)版本中,原子沒(méi)有衰變,貓還活著。”

也就是說(shuō),上面說(shuō)的“原子衰變了,貓死了;原子沒(méi)有衰變,貓還活著”這兩個(gè)世界將完全相互獨(dú)立地演變下去,就像兩個(gè)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(shuō):“這聽(tīng)起來(lái)就像科幻小說(shuō),然而……它是基于無(wú)懈可擊的數(shù)學(xué)方程,基于量子力學(xué)樸實(shí)的、自洽的、符合邏輯的結(jié)果?！薄霸诹孔拥亩嗍澜缰?我們通過(guò)參與而選擇出自己的道路。在我們生活的這個(gè)世界上,沒(méi)有隱變量,上帝不會(huì)擲骰子,一切都是真實(shí)的。”按格利賓所說(shuō),愛(ài)因斯坦如果還活著,他也許會(huì)同意并大大地贊揚(yáng)這一個(gè)“沒(méi)有隱變量,上帝不會(huì)擲骰子”的理論。

這個(gè)詮釋的優(yōu)點(diǎn)是:薛定諤方程始終成立,波函數(shù)從不坍縮,由此它簡(jiǎn)化了基本理論。它的問(wèn)題是:設(shè)想過(guò)于離奇,付出的代價(jià)是這些平行的世界全都是同樣真實(shí)的。這就難怪有人說(shuō):“在科學(xué)史上,多世界詮釋無(wú)疑是目前所提出的最大膽、最野心勃勃的理論?！?/p>

當(dāng)然,格利賓也知道,還有許多技術(shù)上的難題還等待我們?nèi)ソ鉀Q。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(xiàn)實(shí)和半死半活的貓;要么接受埃弗雷特的多世界詮釋。當(dāng)然,可以認(rèn)為科學(xué)市場(chǎng)上的‘最好的家伙都是不正確的;這兩種選擇都是錯(cuò)的。關(guān)于量子力學(xué)的現(xiàn)實(shí),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(jīng)解決的所有問(wèn)題……。但是如果你認(rèn)為這是一個(gè)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(lái)的所有成就;在解釋萬(wàn)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(huì)對(duì)我們的問(wèn)題提出一個(gè)好的答案,這不是科學(xué)的態(tài)度。在沒(méi)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?！?/p>

我們也許記得,在二十世紀(jì)二十年代,有一位物理學(xué)家聲稱他有一個(gè)理論可以解決量子理論的基本問(wèn)題時(shí),玻爾說(shuō):“你的理論的確美妙,但是還沒(méi)有美妙到真實(shí)的程度?！备窭e現(xiàn)在認(rèn)為,埃弗雷特的理論“確實(shí)已經(jīng)美妙到真實(shí)的程度,在尋找薛定諤的貓方面,這個(gè)理論可以給出一個(gè)合適的答案”。由此可見(jiàn)格利賓對(duì)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(jīng)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(xì)的內(nèi)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(diǎn)點(diǎn)耐心,你一定可以看懂。這本書寫的的確很好,是目前有關(guān)這一內(nèi)容寫得最好的書。我可以保證這一點(diǎn)。

(《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)