量子平行世界

量子平行宇宙。當你擲骰子，它看起會隨機得到一個特定的結果。然而量子力學指出，那一瞬間你實際上擲出了每一個狀態，骰子在不同的宇宙中停在不同的點數。其中一個宇宙里，你擲出了1，另一個宇宙里你擲出了2……。然而我們僅能看到全部真實的一小部分－－其中一個宇宙。

20世紀早些年，量子力學理論在解釋原子層面現象方面的成功掀起了物理學革命。在原子領域下，物質運動不再遵守經典的牛頓力學規律。在量子理論解釋它們取得矚目成功的同時卻引發了爆炸性激烈的爭論。它到底意味著什麼？量子理論指出宇宙並不像經典理論描述的那樣，決定宇宙狀態的是所有粒子的位置和速度，而是一種叫作波函數的數學對象。根據薛定鄂方程，該狀態按照數學家稱之為“統一性”的方式隨時間演化，意味著波函數在一個被稱為“希爾伯特空間”的無窮維度空間中演化。儘管多數時候量子力學被描述成隨機和不確定，波函數本身的演化方式卻是完全確定，沒有絲毫隨機性可言的。

關鍵問題是如何將波函數與我們觀測到的東西聯繫起來。許多合理的波函數都導致看似荒謬不合邏輯的狀態，比如那隻在所謂的量子疊加下同時處於死和活兩種狀態的貓。為了解釋這種怪異情形，在20實際20年代，物理學家們做了一種假設：當有人試圖觀察時，波函數立即“坍塌”成經典理論中的某種確定狀態。這個附加假設能夠解決觀測發現的問題，然而卻把原本優雅和諧統一的理論變得七拼八湊，失去統一性。隨機性的本質通常歸咎於量子力學本身就是這些不順眼假設的結果。

許多年過去了，物理學家們逐漸拋棄了這種假設，轉而開始接受普林斯頓大學畢業生Hugh Everett在1957年提出的一種觀點。他指出“波函數坍塌”的假設完全是多餘的。純粹的量子理論實際上並不產生任何矛盾。它預示著這樣一種情形：一個現實狀態會逐漸分裂成許多重疊的現實狀態，觀測者在分裂過程中的主觀體驗僅僅是經歷完成了一個可能性恰好等於以前“波函數坍塌假設結果”的輕微的隨機事件。這種重疊的傳統世界就是第三層多重宇宙。

四十多年來，物理界為是否接受Everett的平行世界猶豫不決，數度反覆。但如果我們將之區分成不同視點分別來看待，就會更容易理解。研究它數學方程的物理學家們站在外部的視點，好像飛在空中的鳥審視地面；而生活在方程所描述世界里的觀測者則站在內部的視點，就好比被鳥俯瞰的一隻青蛙。

在鳥看來，整個第三層多重宇宙非常簡單。只用一個平滑演化的、確定的波函數就能就能描繪它而不引發任何分裂或平行。被這個演化的波函數描繪的抽象量子世界內部卻包含了大量平行的經典世界。它們一刻不停的分裂、合併，如同經典理論無法描述的一堆量子現象。在青蛙看來，觀察者感知的只有全部真相的一小部分。它們能觀測到自己所在那個第一層宇宙，但是一種模仿波函數坍塌效果而又保留統一性、被稱為“去相干”的作用卻阻礙他們觀測到與之平行的其他宇宙。

每當觀測者被問及一個問題、做一個決定或是回答一個問題，他大腦里的量子作用就導致複合的結果，諸如“繼續讀這篇文章”和“放棄閱讀本文”。在鳥看來，“作出決定”這個行為導致該人分裂成兩個，一個繼續讀文章而另一個做別的去了。而在青蛙看來，該人的兩個分身都沒有意識到彼此的存在，它們對剛才分裂的感知僅僅是經歷了個輕微的隨機事件。他們只知道“自己”做了什麼決定，而不知道同時還有一個“他”做了不同的決定。

儘管聽起來很奇怪，這種事情同樣發生在前面講過的第一層多重宇宙中。顯然，你剛作出了“繼續閱讀本文”的決定，然而在很遠很遠的另一個銀河系中的另一個你在讀過第一段之後就放下了雜誌。第一層宇宙和第三層宇宙唯一的區別就是“另一個你”身處何處。第一層宇宙中，他位於距你很遠之處－－通常維度空間概念上的“遠”。第三層宇宙中，你的分身住在另一個量子分支中，被一個維度無限的希爾伯特空間分隔開來。

第三層多重宇宙的存在基於一個至關重要的假設：波函數隨時間演化的統一。所幸迄今為止的實驗都不曾與統一性假設背離。在過去幾十年裡我們在各種更大的系統中證實了統一性的存在：包括碳-60布基球和長達數公里的光纖中。理論反面，統一性也被“去相干”作用的發現所支持。【see ‘100 Years of Quantum Mysteries,‘ by Max Tegmark and John Archibald Wheeler； Scientific American, February 2001】只有一些量子引力方面的理論物理學家對統一性提出置疑，其中一個觀點是蒸發中的黑洞有可能破壞統一性，應該是個非統一性過程。但最近一項被叫做“AdS/CFT一致”的弦理論方面的研究成果暗示：量子引力領域也具有統一性，黑洞並不抹消信息，而是把它們傳送到了別處。

如果物理學是統一的，那麼大爆炸早期量子波動是如何運作的那幅標準圖畫將不得不改寫。它們並非隨機產生某個初始條件，而是產生重疊在一起的所有可能的初始條件，同時存在。然後，“去相干”作用保證它們在各自的量子分支里像傳統理論那樣演化下去。這就是關鍵之處：一個哈勃體積內不同量子分支（即第三層多重宇宙）演化出的分佈結果與不同哈勃體積內同一個量子分支（即第一層多重宇宙）演化出的分佈結果是毫無區別的。量子波動的該性質在統計力學中被稱為“遍歷性”。

同樣的原理也可以適用在第二層多重宇宙。破壞對稱性的過程並不只產生一個獨一無二的結果，而是所有可能結果的疊加。這些結果之後按自己的方向發展。因此如果在第三層多重宇宙的量子分支中物理常數、時空維度等各不相同的話，那些第二層平行宇宙同樣也將各不相同。

換句話說，第三層多重宇宙並沒有在第一層和第二層上增加任何新東西，只是它們更加難以區分的複製品罷了－－同樣的老故事在不同量子分支的平行宇宙間一遍遍上演。對Everett理論一度激烈的懷疑便在大家發現它和其他爭議較少的理論實質相同之後銷聲匿跡了。

毫無疑問，這種聯繫是相當深層次的，物理學家們的研究也才處於剛剛起步階段。例如，考察那個長久以來的問題：隨著時間流逝，宇宙的數目會以指數方式暴漲嗎？答案是令人驚訝的“不”。在鳥看來，全部世界就是由單個波函數描述的東西；在青蛙看來，宇宙個數不會超過特定時刻所有可區別狀態的總數－－也即是包含不同狀態的哈勃體積的總數。諸如行星運動到新位置、和某人結婚或是別的什麼，這些都是新狀態。在10^8開溫度以下，這些量子狀態的總數大約是10^(10^118)個，即最多這麼多個平行宇宙。這是個龐大的數目，卻很有限。

從青蛙的視點看，波函數的演化相當於從這10^(10^118)個宇宙中的一個跳到另一個。現在你正處在宇宙A－－此時此刻你正在讀這句話的宇宙里。現在你跳到宇宙B－－你正在閱讀另一句話那個宇宙里。宇宙B存在一個與宇宙A一摸一樣的觀測者，僅多了幾秒中額外記憶。全部可能狀態存在於每一個瞬間。因此“時間流逝”很可能就是這些狀態之間的轉換過程－－最初在Greg Egan在1994所著的科幻小說[Permutation City]中提出的想法，而後被牛津大學的物理學家David Deutsch和自由物理學家Julian Barbour等人發展開來。