首創平行世界理論，艾弗雷特三世誕辰｜科學史上的今天：11/11

奧地利的物理學家薛丁格最初閱讀愛因斯坦和德布羅意的論文後，也注意到物質波的概念，並進而闡釋發展成波動力學，促成量子力學誕生。薛丁格的波動力學是後來量子力學的具體論述之一， 薛丁格波動方程式更是量子力學最重要的方程式之一，也是現代人研究發展量子電腦的重要思維。

繼續討論薛丁格的想法前，容我「插播」兩種說法，一種是「哥本哈根詮釋」，一種是「愛因斯坦悖論」。

萬物受機率支配？愛因斯坦可不這麼認為

前面提到電子的雙狹縫干涉實驗，說明在微觀世界的電子具有波動性。在電子的雙狹縫干涉實驗中，為何被觀測到的電子只有在屏幕的一點留下痕跡呢？照理說，在屏幕的任意地方都能發現電子的蹤跡。然而，當我們「觀測」到屏幕的一「質點」的電子的瞬間，電子的波函數立即「塌縮」。

物理學家解釋這是因為電子的波函數與發現機率有關，亦即觀測電子時，電子波會縮小分布範圍， 呈現電子的粒子形式。活躍於哥本哈根的波耳等人認同這種融合「波函數塌縮」和「機率詮釋」的想法，因此成為「哥本哈根詮釋」。至於「電子波為何會塌縮？」是一個未解之謎。

自然界真的受到機率的支配嗎？真的大哉問啊！

愛因斯坦儘管預言光子存在，提出光量子論，但他強烈反駁「機率論」的觀點。對於哥本哈根學派的「機率詮釋」和「波的塌縮」，愛因斯坦以「上帝不玩擲骰子的遊戲」批判哥本哈根詮釋， 完全不能接受哥本哈根學派主張「決定一切事物的上帝竟然會依照擲出骰子出現的點數決定電子的位置」。

愛因斯坦也指摘「幽靈般的超距作用」。他認為未來已經確定，反駁「自然界曖昧不明」的不確定性，進一步指出「自然界並非曖昧不明，而是量子論還不完備，無法正確闡述自然界的緣故」。以上所提，是量子力學發展歷程的觀點論戰的故事，包含 1935 年，愛因斯坦和共同研究者波多斯基（Boris Podolsky）、羅森（Nathan Rosen）聯合發表觸及量子論矛盾的「EPR 悖論」（Einstein-Podolsky-Rosen paradox）。

迄今，我們已經知道微觀世界，電子等粒子會自己旋轉，具有「自旋」的物理量，或直接用專業術語「自旋角動量」，自旋的方向依據量子論會以多個狀態同時存在，並存或疊合。

愛因斯坦等人認為，對於相距非常遙遠的電子，不可能無時間限制，瞬時互相影響；根據狹義相對論的說法，沒有任何物體的飛行速度比光速還快。觀測相距遙遠的兩粒子之一，竟然會在瞬間同時決定兩者的狀態，這樣特殊奇妙的現象，愛因斯坦稱之為「幽靈鬼魅般的超距作用」。

沒錯！又要提那隻貓了

薛丁格曾以「量子糾纏」解釋愛因斯坦論文中的悖論現象，指出互相遠離的粒子的性質，並非各自獨立，而是成組決定，無法個別決定，這個現象是 2022 年諾貝爾物理學獎得獎主題的「量子糾纏」。如果能這樣思考，那麼就不會認為粒子是瞬間傳送並影響到遠方粒子，有如「幽靈般的超距作用」。

談到量子力學，「薛丁格的貓」此知名想像實驗必定會浮現在讀者的腦海中吧？此實驗探討一隻貓的狀態究竟是活或死的，而實驗結果是：貓同時是活和死的「疊加」。如果以古典物理學來思考，會顯得極其荒謬；但若以微觀世界視之，這項理論其實符合電子波粒二象性的機率概念。

根據 1927 年量子力學學派的詮釋，觀察一個量子物體時，會干擾其狀態，造成其立即從量子本質轉變成傳統物理現實。原子及次原子粒子的性質，在量測之前並非固定不變，而是許多互斥性質的「疊加」。此觀念的知名例子就是「薛丁格的貓」實驗。

在這個想像的實驗中，一隻貓被鎖在一個箱子中，並有一個毒氣瓶，在量子粒子處於某狀態下毒氣瓶會破裂，但若該粒子處於另一狀態，則毒氣瓶會完好無損。如果將箱子封閉，此粒子的量子狀態是兩種狀態「共存」的情況，也就是說，毒氣既是已從瓶中放出，又被封存在瓶中，也因此，箱中的貓同時既是活的也是死的。當箱子打開時，由於此量子疊加狀態瓦解了，因此在那瞬間，這隻貓或許被毒死，或許得以保命。

物理小教室

• 索爾維會議

量子力學是近代物理學的重要基石，與相對論被認為是近代物理學的兩大基本支柱，許多物理學理論和科學，如原子物理學、固態物理學、核物理學和粒子物理學，都以其為基礎。物理學界往往會在物理重要會議激盪出重要的論述，例如 1927 年第 5 次索爾維會議，此次會議主題為「電子和光子」，當時世上最重要的物理學家，都聚集在一起討論新的量子理論。

——本文摘自《我們的生活比你想的還物理》，2022 年 11 月，商周出版，未經同意請勿轉載。

• 作者／豪爾赫．陳、丹尼爾．懷森
• 譯者／徐士傑、葉尚倫

宇宙從何而來？

每當仰望滿天星斗絢爛壯麗的夜空，或驚嘆微觀世界錯綜複雜的美景時，你不禁會問：「這一切從何而來？宇宙為什麼存在？是什麼東西或是誰負責這一切？」

長期以來，人們一直不斷臆測，讓人驚嘆不已的宇宙真實起源。當然，這比起我們擁有物理學或漫畫的時間要長得多。瞭解宇宙起源很重要，因為有可能會解釋我們存在的來龍去脈。我們想知道我們是怎麼來的，因為這問題的答案可能揭露：我們為什麼在這裡，以及我們應該如何度過時間。如果你知道宇宙從何而來，你的生活方式可能會改變。

因此，在所有問題中最大的問題是，物理學究竟可以告訴我們什麼？

在一開始的時候

在我們問宇宙從何而來或它是如何形成之前，我們需要先退一步想想。我們首先要問的應該是「宇宙是誕生出來的，還是本來就一直存在？」

你可能會驚訝的發現，物理學對這個問題有很多論述。可惜的是，很多論述內容並不是很一致。事實上，量子力學和相對論這兩個偉大的理論，在宇宙主題上指出了兩個截然不同的方向。

量子宇宙

量子力學表明宇宙遵循著我們不熟悉的規則。根據量子力學，粒子和能量以奇怪和不確定的方式表現。這可能令人非常困惑，但幸運的是，這跟我們手上的問題並不相關。因為量子力學對宇宙的過去和未來實際上是一清二楚的。

量子力學用量子態來描述事物。量子態告訴你，與量子對象交互作用時，事情可能發生的概率。例如，它可能會告訴你粒子位置的機率。你可能不知道粒子現在在哪裡，但你可以知道它可能在哪裡。

量子態很有趣，因為如果你知道今天量子物體的狀態，你可以用它來預測明天、兩週後，或者十億年後的狀態。量子力學中最著名的方程式是薛丁格方程式，跟貓和盒子無關。薛丁格方程式告訴你：如何利用你對宇宙的瞭解並將宇宙向未來投射。它也可以反推，可以利用你對現在的瞭解，告訴你宇宙在過去是什麼樣子。

根據量子力學，這種預測能力沒有時間限制。它的基本原則是：量子資訊不會消失，只是轉變為新的量子態。也就是說，如果你知道宇宙今天的量子態，就可以計算出它在任何時間點的量子態。量子力學告訴我們，宇宙在時間上永遠向後和向前推展。

這代表一個非常簡單的事實：宇宙一直存在，並將永遠存在。如果我們對量子力學的理解是正確的，那麼宇宙就沒有起始點。

相對論宇宙

然而，愛因斯坦相對論卻告訴我們一個截然不同的故事。量子力學有個問題，它通常假設空間是靜態的，就像一個固定的背景，你可以在那裡懸掛粒子和場。但是相對論告訴我們，這觀念大錯特錯。

根據相對論，空間是動態的，它可以彎曲、伸展和壓縮。我們可以看到空間在黑洞或太陽之類的重物體附近彎曲。愛因斯坦的理論還描述了整個空間如何膨脹。空間不僅僅是平坦的空虛；它被重物局部扭曲，並且愈來愈大。

這個瘋狂的想法最初來自於相對論中的數學，但現在我們有實驗能加以證明。透過望遠鏡，我們可以看到星系每年愈來愈快的遠離我們。宇宙中的一切似乎都變得愈來愈分散和愈來愈冷，就像氣體在膨脹時冷卻一樣。

對宇宙的起源來說，這代表什麼含義呢？呃……如果把時鐘倒轉，我們的觀察預測出宇宙曾經更熾熱、更密集。如果回溯足夠遠的時間，宇宙就會到達一個特殊的點：奇異點。

此時，宇宙的密度實在是太大了，甚至讓相對論的計算結果顯得有點荒謬。相對論預測宇宙變得非常緊密，空間又異常彎曲，最終達到了一個無限密度點。

按照相對論的觀點，宇宙在某種程度上確實有個開端，或者說至少有個「特殊時刻」。我們所看到的一切，包括所有空間，都來自奇異點。可惜的是，相對論不能告訴我們那一刻發生了什麼，但我們知道它與之後的任何時空點都不一樣。它就像一堵無法跨越的牆，無法用相對論解釋。

孰是孰非？

現代物理學的兩大支柱以大相逕庭的觀點來解釋可能的宇宙起源。一方面，量子力學告訴我們宇宙是永恆的，一直存在。另一方面，相對論告訴我們宇宙來自一個發生在一百四十億年前的無限密度點。

我們知道量子力學不可能完全正確，因為它沒有辦法描述關於宇宙的某些事。例如，量子力學沒有辦法描述重力或空間彎曲。但同時，我們也知道相對論並不完全正確，因為它在奇異點處崩潰，並且忽略了宇宙的量子性質。

——本文摘自《宇宙大哉問：20個困惑人類的問題與解答》，2022 年 8 月，天下文化，未經同意請勿轉載。

• 文／林祉均

從《瑞克與莫蒂》到最近的《媽的多重宇宙》和《奇異博士2：失控多重宇宙》，多重宇宙的浪漫概念一直是各種作品愛用的元素。主角穿越到其它平行宇宙中，遇見各種不同的可能性，實現未能完成的心願。

可惜的是，現實中似乎沒有這種好事情。眼睛所看到的世界就只有一個，一切就照著原本的劇本發生，沒有穿越或是重來的機會。

不過，這些幻想作品的描述，其實並不如你所想的這麼天馬行空。創作科幻作品所需要的想像力，對於科學家來說，其實也是重要的技能。打從二十世紀中期開始，正經的量子物理討論中，便出現了「多重世界」的說法。

「多重世界」是對於量子現象許多詮釋中的其中一種。實事求是的物理學家為什麼要訴諸這麼虛幻的說法呢？說到底，他們也是情非得已。這一切要從量子物理帶給他們的難題說起。

在量子時代前，物理學家的世界

在量子時代之前，物理學家用來解釋世間萬物的方法是「古典力學」與「電磁學」。

• 「古典力學」是「牛頓運動定律」的進階版，解釋了「具有質量的粒子（物質）如何運動」
• 「電磁學」則是一切電磁波相關技術（你的手機訊號）的基礎，解釋了「不具質量的能量如何在空間中以波動傳遞」。

「古典力學」與「電磁學」把世間分成「粒子」與「波動」兩種不同的問題來解釋，彼此井水不犯洪水，分別「近乎完美地」解釋所有日常生活中常見的現象，然而，有一個現象在深入研究之後，卻出現了矛盾，這個現象就是雙狹縫實驗（Double-slit experiment）。

雙狹縫實驗的詭異之處

如果讓光束通過一條狹縫，會在後方的屏幕映照出中間較亮，兩側較暗的圖樣。奇妙的是，如果將實驗改成兩條狹縫，屏幕上的圖案並不會等於兩個單狹縫的圖案相加，而是會變成亮暗間隔的條紋。這種圖案只能由波動產生，因為波峰和波谷會互相抵銷，因此產生較暗的部分。

雙狹縫實驗成為了光是波動的證據，屬於「電磁學」解釋的範疇，後續的推導也證明了光是一種電磁波。

如果故事停在這裡倒也還好，但後來卻觀測到「用電子或中子打入雙狹縫，也會得到跟光進入雙狹縫時類似的結果」。

這問題就有點大了，因為電子或中子這些粒子的運動，在雙狹縫實驗時必須要跟光一樣，用波動才能解釋，傳統物理「粒子與波動」的二分法似乎失效了。

量子時代新概念——波函數（波包）

因應這些觀察，物理學家開始用「波動力學」來解釋雙狹縫實驗，也就是薛丁格方程式（Schrödinger equation）。

「波動力學」是將所有物體都當成是「一小段波動」，也就是波函數，並寫下它如何隨著時間演化。原本的粒子現在變成像是下圖中一塊一塊的「波包」，在空間中隨著薛丁格方程式移動。

這些「波包」成功解釋了粒子如何在穿過雙狹縫後互相干涉，形成亮暗條紋。但問題是，沒有人看得到這些波函數（波包），在觀測時，看到的只有一顆顆電子通過狹縫撞在屏幕上。

雖然薛丁格所提出的方程式與運算結果完全符合實驗結果，但為什麼這樣算是對的？波函數（波包）又代表什麼？卻沒有一個很好的解釋。

波函數不是實體，而是物體的機率分布——哥本哈根詮釋

為了解釋這個問題，首先是由海森堡一夥人提出的「哥本哈根詮釋」，他們認為：波函數代表的是物體出現位置的機率分布，而薛丁格方程式規範的是機率分布如何隨時間改變。

當我們介入觀察，波函數便會依照這個機率分布隨機地塌縮至一個特定的值，這個值就是我們所觀察到的物理量。

以雙狹縫來說，穿過狹縫後的波函數產生了波動會有的干涉現象。後方的屏幕讓波函數塌縮，因此出現了一個確切的光點。至於光點會出現在哪裡，完全是機率性的，機率多寡由波函數主掌。在波峰和波谷抵銷的地方，機率很小，幾乎不會有光點出現；反之亦然。下圖可以看到個別粒子的位置看似隨機，但隨著實驗的粒子數增加，波函數的機率分布開始浮現。

編按：哥本哈根詮釋認為，波函數涵蓋了物體落到任何地方的所有可能性，且每個可能性都有一個機率值。而薛丁格方程式算的是每一種可能性的機率變化。

在多個相同物體重複經歷相同的事件（例如電子不斷進進入雙狹縫），就會看見波函數控制物體運動過程的證據（屏幕上最後的圖形）。

至於「單個物體」為什麼會移動到某個確定的位置，以及「單個物體」實際上是怎麼移動的，基本上是不可知的，一切都是波函數的決定，因此哥本哈根詮釋就以「崩塌」，來代稱其他可能性消失的情況。

對哥本哈根詮釋的質疑

約一百年後的今天，這個詮釋已經成為主流，但當時的學界中有一部份人並不買單。

一來是因為這個說法直接擁抱了機率性，物理世界完全交由波函數塌縮的隨機過程來決定，我們能知道的只有波函數的樣貌；二來則是「塌縮」這種語焉不詳但又扮演中心角色的詞彙，讓人有一種硬湊答案的感覺。另外，人或是儀器作為觀察者的角色為何如此重要，好像也說不清楚。

為了點出荒謬之處，薛丁格搬出了他舉世聞名的貓咪。

由於原子的放射衰變也是由波函數描述，我們可以用放射性原子打造一種可以殺死貓咪的裝置，然後把貓咪跟裝置關在箱子裡。隨著時間過去，原子的狀態處於衰變和未衰變的機率分布，因此貓咪也同樣處於「死和活的機率分布」。直到觀測者將箱子打開，才能將原子和貓咪的波函數塌縮。

這個實驗和樂透開獎的情況本質上並不一樣。雖然樂透好像也是機率問題，但是每個樂透號碼球都是巨觀的、可以被古典力學描述的物體。因此，早在開獎前，每個號碼球的位置就都已經決定好了，只是沒有人能夠準確預測。

可是，原子衰變是量子的範疇。量子理論最初的發展，便是起源於光電效應和原子光譜這類小尺度世界，這些領域中的實驗觀察無法由古典力學概括，只能用波函數的機率來解釋。

而薛丁格的目標就是將微小的量子物體（原子）和巨觀的生物（貓咪）牽連在一起，試圖說明由機率分布和塌縮主宰的物理世界有多麼讓人不舒服。

在薛丁格方程式和哥本哈根學派交鋒過後的幾十年內，關於觀察和塌縮究竟是怎麼一回事，仍有許多討論。後續的許多研究，在哥本哈根的架構下，提出了修補的細節，許多人也就漸漸接受了機率性的塌縮這件事。

爾後，有另一批人馬企圖想出一種不需要機率塌縮的量子世界，其中包括不喜歡上帝丟骰子的愛因斯坦等人。他們認為粒子一直都有明確的位置與軌跡，只是其演化方式不如我們所想像，背後有不為人知的物理機制，而哥本哈根的世界觀只是統計的結果，並不是完整的圖像。

這類詮釋統稱為隱變數詮釋（hidden variable theory），歷史上有許多不同版本。不過在貝爾定理（Bell’s theorem）的相關實驗後，局域性的隱變數理論幾乎完全被排除。現今還站得住腳的隱變數理論，聲稱波函數像是電磁場一樣佈滿整個空間，能夠以特定方式引導粒子的運動軌跡。

• 延伸閱讀（貝爾定理）：照出黑洞不算什麼，科學家連量子纏結都能拍到！？

全部的可能性都持續存在——多世界詮釋

這些新理論儘管在某種程度上去掉了塌縮的成分，但聽起來依然十分玄妙。在 1950 年代，有位美國物理學家艾弗雷特（Hugh Everett III）在他的博士論文中提出了全新的方案：

「大家都不要吵了，波函數中所有可能發生的機率，確實就是發生了，只是所有可能性以互不交錯的世界線同時存在。」

以貓咪為例子，當你打開箱子時，並沒有把貓咪的波函數塌縮到單一的死或活狀態，而是將原本的世界線一分為二，當中分別有一個看到死貓的你和看到活貓的你。於是，波函數永遠不需要塌縮到我們看到的單一狀態。

換句話說，這種觀點中沒有所謂「非量子」的「觀察者」來讓波函數成為現實。世界上所有的原子、貓咪、人，都被涵蓋在整個宇宙的波函數中。艾弗雷特原本的論文標題並沒有提到多重世界，而是稱之為全體波函數理論（Theory of the Universal Wavefunction）。波函數描述的不是觀察的機率分布——波函數就是本體，根據薛丁格方程式演化出各個世界線。

或許是因為太過前衛，他的這篇論文發表時，幾乎沒有引起任何討論，甚至沒什麼人花時間質疑。艾弗雷特最終抱著遺憾離開學術界，跑去五角大廈工作。所幸他的想法在十幾年後，終於在幾位支持者的努力之下，以「多世界詮釋（the many-worlds interpretation）」的名號發揚光大。

儘管一開始聽起來很難接受，但是人們發現，這種詮釋其實並不比原本的塌縮詮釋荒唐。

它同樣能夠解釋所有的實驗現象，而且比起機率性的塌縮，總體波函數可以完全遵循方程式的預測，不需要引入量子世界外的觀察者，來讓波函數塌縮至單一狀態。許多物理學家認為這是一套更簡潔的思考方法。到今天，多世界詮釋已經累積了不少聲量和支持者。

尋找多重宇宙

那麼多重世界線真的存在嗎？要找到答案恐怕不容易。如果艾弗雷特所言不假，也就是所有人和所有儀器都是總體波函數的一部份，那麼便沒有人能立於一切之外，看見總體波函數中的所有可能，或是做實驗來驗證多重世界的存在。

不過，除了量子理論的研究者之外，還有一群人也十分認真看待多重宇宙的想法。在宇宙學中，有一理論預測我們的可觀測宇宙只是顆小泡泡，身處許多其它的泡泡宇宙之中，也就是實際意義上的多重宇宙。這些宇宙不斷地處於膨脹階段，而這個理論被稱為永恆暴脹（eternal inflation）。

相較於多世界作為量子力學的詮釋，永恆暴脹是個科學理論，需要可以被驗證。照理來說，任何來自其它宇宙泡泡的訊號都跑不贏膨脹的速度，永遠無法抵達我們的可觀測宇宙。不過在膨脹初期，泡泡之間的碰撞會在宇宙背景輻射的地景上留下溫度足跡。大約十年前，科學家就在威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）的觀測資料中，找到了四個統計上顯著的碰撞痕跡。

那我們怎麼還不出發前往其它宇宙呢？雖然在分析方法上是個振奮人心的嘗試，但還需要補足更多觀測資料才能做更好的判斷。繼 WMAP 後，普朗克衛星（Planck）也帶回了解析度高三倍的背景輻射影像，但關於多重宇宙是否真的存在，依然沒有定論。

結語

回顧歷史，隨著量子實驗的結果浮上檯面，不同的理論模型往往需要數十年來分出高下。雙狹縫實驗在 1801 年就已經完成，但多世界詮釋的誕生是 150 年後的事。正如同二十世紀初的量子物理，膨脹理論和多重宇宙都是目前發展空間很大的領域。或許還要一段時間，我們才能見證這些科幻內容成為課本中的教材。

不論結果如何，總體波函數中無限分岔的可能性，以及膨脹中的多重泡泡宇宙，都展示了科學研究的迷人之處，那就是——科學和科幻文本都一同站在人類想像力的最前端。