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時空旅行有Bug?平行宇宙能搞定!——首創平行世界理論的艾弗雷特三世誕辰|科學史上的今天:11/11

電影裡的主角為了拯救世界或是扭轉自己的人生,穿越時空回到過去,在那關鍵時刻出手干預,果然使歷史偏離原來的軌跡,走向不同的結局……。

類似的時空旅行已是科幻電影屢見不鮮的題材,不過其中始終有個說不通的問題,那就是違背因果關係。最典型的例子就是「祖父悖論」:你回到過去殺死自己的祖父;可是如此一來你就不會出生,你祖父也就不可能被你殺死。這不是矛盾嗎?

艾弗雷特三世。圖片來源:wikipedia

沒關係,有個理論可以解決這個矛盾,那就是「多重世界」(或稱「平行世界」、「多重宇宙」)的。這可不是空想的科幻點子,而是美國理論物理學家艾弗雷特三世(Hugh Everett III),提出的量子力學理論。

艾弗雷特出生於1930年11月11日。他大學讀的是化工系,但畢業後到普林斯頓大學,卻是以賽局理論的研究,於1955年拿到碩士學位。他緊接著攻讀博士,又再轉換領域到物理,跟隨惠勒(John A. Wheeler)研究量子力學。就是在此時,艾弗雷特想到平行世界這個匪夷所思的理論。

其實,對許多人而言,當時量子力學的主流──哥本哈根詮釋──也是匪夷所思!根據哥本哈根詮釋,量子世界裡的粒子並沒有確切的狀態,而是各種可能狀態加總起來的「疊加態」;而薛丁格方程式中的波函數,所描述的就是粒子在各種狀態的機率。

但我們測量粒子時,明明就只會得到一個明確的結果啊?!他們主張:這是因為觀測的行為,才造成粒子從原本處於各種可能性的疊加態,瞬間「崩陷」成一種確定的狀態。也就是說,我們眼前這個實實在在的世界,是拜我們作為觀測者之賜,才成形的。

這種近乎佛教唯識論的說法,當然令相信古典物理的科學家難以接受。愛因斯坦就質疑道:「難道月亮只有在我們看它時才存在嗎?」薛丁格也對於哥本哈根學派如此詮釋自己的方程式而憤恨不已,才想出後來被稱為「薛丁格的貓」的思想實驗,用既生又死的貓來嘲諷疊加態的荒謬。

的確,哥本哈根詮釋無法說明觀測那一剎那究竟發生了什麼事,使得混沌的量子系統崩陷為明確的古典世界。然而許多實驗又證明了粒子彷彿知道有沒有人在偷窺似的,會表現出不同的行為。那麼就只能無奈的接受哥本哈根詮釋嗎?

艾弗雷特因此另闢蹊徑。他認為觀測者並沒有什麼神祕魔力讓粒子從疊加態崩陷為一種明確的狀態。觀測時,粒子原來的各種可能狀態並沒有消失,只是各自分散到平行世界去。以薛丁格的貓來說,我們打開箱子,如果看到貓是死的,那麼在另一個平行世界,這隻貓卻是活的。而前面提到的「祖父悖論」也不會有矛盾,因為你穿越時空回去的並不是原來的世界,而是另一個平行世界,所以你在這個平行世界殺死「祖父」,並不會影響你在原來那個世界的出生。

以艾弗雷特的理論解釋薛丁格的貓,在開盒的瞬間,不同狀態的貓便分散到平行世界去了,如果我們看到貓是死的,那麼在另一個平行世界,這隻貓卻是活的。圖片來源:Christian Schirm@wikipedia

艾弗雷特於1956年完成論文,把觀測者與被觀測的對象納入同一系統之中,既能承襲哥本哈根學派用機率詮釋波函數,又能避開「崩陷」的神秘現象,可說更加簡潔。但分裂成多重宇宙的說法實在太驚世駭俗,艾弗雷特不得不大幅修改論文,才於1957年在期刊上發表。

此時艾弗雷特已在五角大廈的顧問團隊中服務一年,眼見論文發表後並未激起任何漣漪,已是失望透頂,加上兩年後被量子力學的巨擘波耳當面潑了冷水,因而從此放棄量子力學,利用他數學與賽局理論的專長,以承接軍方專案作為一生事業。

但他的一生並沒太長。1982年,才51歲的艾弗雷特就因心肌梗塞在家中一睡不起。發現他冰冷屍體的是十九歲的兒子馬克。馬克後來成為搖滾樂團”Eels”的主唱;你或許聽過他的歌,如果你看過電影《史瑞克》或是《沒問題先生》的話。不過別誤會,他的歌一點兒也不歡樂,反而多是鬱悶悲傷之作。

艾弗雷特三世之子,Eels 樂團主唱──馬克·奧利佛·艾弗雷特。圖片來源:Eric Willis@wikimedia

或許這反映馬克並不順遂的過往:除了父親驟逝,姊姊於1996年自殺身亡(留下一張字條,說要去另一個平行宇宙與爹地重逢),兩年後母親又肺癌過世。據馬克回憶,父親艾弗雷特與家人關係非常疏離,總是沉默不語,獨自一人菸酒不離的在書桌旁書寫思考;他從不瞭解父親,也不知道他在研究什麼。

2007年,艾弗雷特發表論文的五十週年,英國BBC公共電視台邀馬克錄製艾弗雷特的紀錄片,由他拜訪父親的同儕與追隨者,請他們解釋平行世界的理論,馬克才終於知道父親的重要貢獻。

不只是艾弗雷特的兒子隔了很久才知道這一點,物理學界也是直到這個世紀才開始認真看待他的多重世界理論。同樣在2007這一年,牛津大學舉辦紀念研討會,物理學家齊聚一堂,討論艾弗雷特的模型在宇宙創生、弦論等領域的運用。

或許真的有那麼一個平行宇宙,艾弗雷特與妻女都不會死於非命,他與子女的關係也不會如此疏離,就可以與家人一起分享學術上的榮耀。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。