天文太空

多重宇宙很量子

宇宙學與量子力學之間可能有意想不到的關聯,科學家或許將從中揭開時間與空間的奧秘。

撰文/野村泰紀(Yasunori Nomura)

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多重宇宙很量子

宇宙學與量子力學之間可能有意想不到的關聯,科學家或許將從中揭開時間與空間的奧秘。

撰文/野村泰紀(Yasunori Nomura)


許多宇宙學家現在已經接受多重宇宙這個不尋常的概念,我們的宇宙似乎只是這個更大結構的一小部份。這幅圖像有眾多宇宙,所有我們視為大自然根基的物理定律在不同宇宙裡有不同面貌,例如,各宇宙可能有不同型態與性質的基本粒子。


多重宇宙這個概念,源自科學家假設早期宇宙經歷急遽膨脹的理論。在這段「暴脹」時期,某些區域的急速膨脹比其他區域早結束,形成所謂的泡泡宇宙,就像在滾燙的沸水中產生泡泡一樣,我們的宇宙只是無限多顆泡泡之一。


我們的宇宙僅是更大結構的一小部份,這個概念其實沒聽起來的稀奇古怪。科學家已多次認識到,世界遠比我們看見的大上許多。不過由於泡泡宇宙的數量基本上無限制,多重宇宙的想法確實浮現出一個重要問題:它似乎抹殺了該理論的預測能力,而這是任何有用的科學理論的核心訴求。這可從暴脹理論的創始者之一、美國麻省理工學院(MIT)的古斯(Alan Guth)的話看出,他曾說:「在永恆暴脹的宇宙中,任何可能發生的事一定會發生;事實上,它將發生無限多次。」


在單一宇宙裡,事件發生次數是有限的,科學家可以比較一件事與另一件的發生次數,計算出該事件發生的相對機率。但在多重宇宙,每件事可重複發生無限多次,比較發生次數來計算相對機率的方法,顯然行不通,因為每件事發生的機率都相同。你可以隨心所欲預測任何事,而且必定在某個宇宙中實現,但這不能解釋我們的世界會如何演變。


長久以來,該理論欠缺預測能力這件事明顯困擾物理學家。諷刺的是,包括我在內的一些研究人員現在理解到,描述微小粒子行為的量子理論雖然與多重宇宙的想法形成鮮明對比,卻可能為我們點明解決之道。永恆暴脹多重宇宙的宇宙學圖像,或許在數學上等價於量子力學中用來解釋粒子似乎同時位於多處的「多重世界」詮釋。正如下文所述,這兩種理論之間的關聯,不僅解決預測能力問題,也可能揭開時間與空間的驚人真相。


測量蹦出多重世界

當我重新審視量子力學的多重世界詮釋後,便興起把這兩種理論互相對應的想法。多重世界詮釋是為了解釋量子力學的某些怪異現象。在非直覺的量子世界中,因果的運作機制與巨觀世界迥然不同,任何物理過程的結果總以機率表達。


根據我們在巨觀世界中的經驗,當一顆球拋出後,我們可以憑著它的起點、速度和其他資訊來判斷落點。但如果那顆球是量子粒子,我們只能說它有機會掉落在此處,也有機會掉落在其他地方。即使我們探知更多關於球或氣流的詳盡資訊,也無法避開這種機率特性,因為那是量子力學的本質。在完全相同的條件下拋出同一顆球,它有時會落在A點,有時則落在B點。這項結論看似弔詭,卻是經過大量實驗驗證的量子力學定律,並且真實描述了大自然如何在次原子粒子與作用力的尺度運作。


量子世界中,在把球拋出、但尚未檢視落點前,它處於A結果與B結果的疊加態,這表示落點既不在A點也不在B點,而是位於A、B兩點(與其他眾多地點)的機率迷霧中。不過,一旦我們觀看並且發現球落在某個確切地點(假設是A點),任何人來檢視這顆球,都會認定落在A點。換句話說,任何量子系統在被測量之前,結果是不確定的,但所有後續測量的結果都與首次相同。


根據傳統上對量子力學的理解,也就是哥本哈根詮釋,科學家認為首次測量把系統從疊加態轉變為A狀態,因此造成狀態的塌縮。雖然哥本哈根詮釋確實預測了實驗結果,卻引發許多嚴重的難題:「測量」的真實意義是什麼?為何測量可把系統從機率疊加態變成單一確定結果?當一條狗、甚至一隻蒼蠅觀察系統時,是否也造成狀態改變?當氣體分子與系統有交互作用(我們知道這會發生,但從不視為測量),是否會影響測量結果?或者,人們有意識地探求系統狀態,是否會引發某些物理效應?


1957年,美國普林斯頓大學的研究生艾弗雷特(Hugh Everett)發展出量子力學的多重世界詮釋,巧妙解決了這些問題。此詮釋在當時遭受許多譏諷,時至今日依然不比哥本哈根詮釋受歡迎。艾弗雷特主要認為,量子系統的狀態反映了整個宇宙的狀態,因此必須納入觀察者才算完整描述了測量過程。換句話說,我們不能單獨考慮被拋出的球、風的流動或拋球的手,應該把檢視球落點的觀察者,以及宇宙裡每件事物同時納入對此事件的基本描述。在此幅圖像中,測量後的量子態仍是疊加態,不僅僅是兩個落點的疊加,而是兩個完整世界的疊加!


在第一個世界裡,觀察者發現系統的狀態已變成A,因此這個世界裡任何觀察者進行後續測量,都只能獲得A結果。其實在完成測量那一刻,另一個宇宙就與這個宇宙分道揚鑣,在第二個宇宙中,觀察者持續發現球落在B點。這項特性解釋了為何觀察者認為他的測量改變了系統的狀態:實際上,當觀察者進行測量(與系統產生交互作用)時,自身即一分為二,成為兩個不同的人,分別居住在兩個相異卻各自對應A結果與B結果的平行世界。


根據這幅圖像,進行測量的人並不具有特殊意義。整個世界持續分岔出許多可能且共同存在而疊加在一起的平行世界。觀察者本身是自然的一部份,無所遁逃於此循環:觀察者不斷分成許多同樣「真實」的觀察者,各自居住在許多可能的平行世界中。關於此圖像有個明顯但重要的涵義,無論尺度,自然界所有事物都遵守量子力學定律。


這種描述平行世界的量子力學詮釋,與似乎存在連續真實空間中的多重宇宙概念有什麼關聯?2011年,我論證永恆暴脹的多重宇宙和艾弗雷特的量子力學多重世界,在某個特殊意義上是相同的概念。在這個理解之下,永恆暴脹的無限大空間只是一種「幻象」;暴脹產生的眾多泡泡宇宙,其實並不全都存在於單一真實空間,而存在於機率樹上可能出現的不同分支裡。大約在我提出這項主張時,美國加州大學柏克萊分校的布索(Raphael Bousso)與史丹佛大學的色斯金(Leonard Susskind)也提出類似的概念。假如真的是這樣,多重宇宙的多重世界詮釋意味著量子力學定律不僅適用於微觀世界,在決定多重宇宙這種大範圍整體結構上,也扮演至關重要的角色。


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