这宇宙之中是否会有无限多个世界同时存在,相互平行地演变着,我们每一个人都同时生活在这无限多个世界中,做着不同的事情,而所有的物体在每一个的世界中也都有其特定的存在和演化形式……

这听起来就像是科幻小说,然而这正是量子力学的多世界理论(Many Worlds Theory)的中心内容。这个理论是由普林斯顿大学的物理学博士艾佛雷特(Hugh Everett )在一九五七年首先提出来的,而后被美国最著名的宇宙物理学家,相对论专家,二战时期研制原子弹的曼哈顿计画和氢弹计画的主持人之一的约翰.惠勒(John Wheeler )教授所进一步发展。


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初探“多世界”的存在

望远镜无论看得多远,都仍然只是我们的空间。(图片来源:NASA,ESA)

整理 ◎ 方洪

这宇宙之中是否会有无限多个世界同时存在,相互平行地演变着,我们每一个人都同时生活在这无限多个世界中,做着不同的事情,而所有的物体在每一个的世界中也都有其特定的存在和演化形式……

这听起来就像是科幻小说,然而这正是量子力学的多世界理论(Many Worlds Theory)的中心内容。这个理论是由普林斯顿大学的物理学博士艾佛雷特(Hugh Everett )在一九五七年首先提出来的,而后被美国最著名的宇宙物理学家,相对论专家,二战时期研制原子弹的曼哈顿计画和氢弹计画的主持人之一的约翰.惠勒(John Wheeler )教授所进一步发展。

在其后的五十年当中,这一理论吸引了一代又一代的物理学家致力其中,其中的代表人物之一,是英国牛津大学著名的的戴维.德伊池(David Deutsch )教授。

作为世界理论物理学界的一位领袖,德伊池教授在二零零一年九月曾经接收美国著名的《发现》杂志(Discover )的专访。他对多世界存在的论述深入浅出,让普通人感到不难理解。

量子物理对微观粒子的观察

自二十世纪初,量子物理学家们发现,诸如电子、质子等所有的微观粒子,都有一个奇怪的性质:在同一个时刻,它可以既在这里又在那里,也就是说一个微观粒子同时存在于空间中的许多位置上,就像它们有分身术一样,但是当我们真正去观测它时,又却只能在一个位置上找到它。这和我们日常生活中的经验是大相迳庭的,也使所有的物理学家都大惑不解。


超弦理论中的空间结构。(维基)

人们提出了很多理论来解释这一现象,但是严格来说在数学上都站不住脚。直到二十世纪五十年代,多世界理论的提出才解决了这一问题。多世界理论认为,实际上有无限多个世界,空间中有多少个位置,就有多少个世界。在这些世界的每一个中,微观粒子都有一个确定的位置,所以看起来就像是粒子在空间每一个位置上都存在一样。我们每做一次测量,就是从这无限多个世界中选择出一个世界,粒子在那个世界中的位置就是我们真正测量到的位置。

德伊池教授认为,量子力学的这一理论不仅适用于微观世界,而且适用于宏观世界的每一个层面。因为所有的宏观物体,包括我们自己都是由这些微观粒子构成的,既然在微观领域,有无数的实验证实了量子力学的可靠性,那么在宏观领域,它也同样应该适用。教授说,我们每一个人也都同时存在于不同的空间中,即使我们自己意识不到这一点。实际上不仅是每一个人,而且这个地球,甚至整个宇宙都有无数的“分身”,它们同时存在于无数宏大的世界(时空)中,在每一个时空中都有其特定的演变形式。所以他认为单一世界的概念实际上是错误的。

在通常情况下,我们是感觉不到多个世界存在的,我们也几乎无法知道在另外的时空中,我们另外的自己在做什么。但是如果精心控制实验条件,我们可以在诸如“双缝衍射”等实验中,瞥见多个世界存在的蛛丝马迹。德伊池,这位理论物理学界的大师级人物,认为这一理论是对量子力学中奇怪现象的唯一解释。因为它基于严密的数学方程,和大量试验结果。

德伊池批评了某些物理学家之所以不能接受多世界理论,是因为他们不敢改变固有的思维观念,只是出于实用主义的考虑而应用量子力学,而不去真正思考他们每天都在用的方程式后面真正的意义是什么。

《科学》杂志探讨另外空间

其实,对于另外空间的存在,当许多人还或信或疑的时候,越来越多的物理学家已经逐渐地接受了它。《科学》(Science )杂志在二零零二年五月第二九六卷上发表了一篇题为〈时空,卷曲的膜和隐藏的维度〉的综述性文章,简要地介绍了多维空间的概念。

通常人们比较容易理解的是四维空间: 三个空间维度和一个时间维度。)的确,四个数字就足以描述和确定任何发生在宇宙空间的事物了。但是为什么是四个呢? 四这个数字来自何处?

在西方科学史上,科学家们都认为这没有什么好问的,时空本来就只有四个维度。然而,当八十七年前,爱因斯坦的广义相对论把四个维度合并在一起,形成了时空这个概念的时候,科学家才意识到时间和空间并不是绝对的,宇宙实际上是有涨落,可延展的,它可以像橡皮球一样被拉长,压缩,弯曲,在某些地方空间甚至可以把自己卷曲成诸如黑洞这样的奇异天体。

在研究宇宙结构的演变时,科学家们发现,人们没有任何理由说时空必须是四维的,并且从数学的角度来说,多维的时空更容易被描述。那么他们为什么不应该存在呢?

实际上,和很多人的直觉相反,许多物理学家已经证明了多维时空的存在不仅是可能的,而且为了保持对时空描述的 一致性,它们必须存在。举例来说,在二十世纪七十年代,为了把相对论和量子力学统一在一起,物理学家们发明了当代物理学中最尖端的超弦理论,在这个理论 中,构成我们宇宙的最基本的粒子是一些被称之为“弦”的极微小的亚原子物体。弦论同时告诉人们,我们生活的这个空间实际上应该至少有十个维度,其他六维紧紧地卷缩在一起,由于其极为微小,人们无法用通常的方法探测到它们。

文章认为,人们之所以感觉不到多维空间的存在,是因为人们的视场(Field of View ) 被限制在一个低维的膜中,而这个低维的膜被镶嵌在更高维的膜中。这些膜之间一次又一次的激烈碰撞产生了一系列的大爆炸,从而演化出多重宇宙结构来。

在此之前,一篇发表在《自然》杂志二零零一年六月第四一一卷的文章也同样认为,我们这个宇宙只是多维空间的一层膜,多重的宇宙是以多层膜的形式存在于一个多维的超空间中。这些另外的时空可能只有原子大小,也可能无限大,我们可能探测不到它们的存在,但它们却对我们这个宇宙的物理现象产生深刻的影响。

用德伊池的观点来说,这就像当年人们不相信地球是围绕着太阳转一样,如果拒绝用多世界的眼光看事物,人们就永远不会对宇宙有更新和更深刻的认识。◇

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