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多重宇宙與量子力學的派系之爭

linjunJR_96
・2022/05/09 ・5054字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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  • 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」。

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  • 「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。

上圖為可見光的單狹縫實驗結果,下圖為可見光的雙狹縫實驗結果。圖/Wikipedia

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」。

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電子經過雙狹縫後所形成的圖形,圖/Wikipedia

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。

圖/Wikipedia

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。

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當越來越多電子經過雙狹縫後(a 到 e),所形成的圖形(位置分布),就是由波函數的機率分布決定的,圖/Wikipedia

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。

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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。

隨著哥本哈根勢力的擴張,薛丁格的這隻貓也逐漸轉型成展示量子世界奇妙之處的招牌。圖/Wikipedia

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。

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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。

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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)

無窮宇宙,在宇宙中存有大量的可觀測區(有著紅色十字中心的紅圈),我們的「宇宙」不過是其中的一個可觀測區而已
多重宇宙理論認為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。圖/Wikipedia

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。

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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。

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linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

延伸閱讀

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你聽過「量子意識」嗎?電子雙狹縫實驗讓人猜測意識會影響物質世界,真的假的?
PanSci_96
・2024/03/06 ・3800字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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在市面上,我們常會看到號稱運用量子力學原理的商品或課程,像是量子內褲、量子能量貼片、量子首飾、量子寵物溝通、量子速讀、量子算命、量子身心靈成長課程等等。有人說,量子力學代表了意識具有能量,藉由調整心靈的共振頻率,就能保持身心健康,只要你利用量子力學原理進行療癒或冥想,就能提昇自己的能量,人能長高、身體變壯、每次考試都考一百分;又像是,量子力學就代表一種信息場,讓你跟別人有心電感應,只要轉念,讓宇宙能量幫助你,你就能發大財還能避免塞車。也有人說,別人吃一個下午茶,你也馬上吃一個下午茶,別人喝一杯咖啡,你也馬上喝一杯咖啡,別人跟家人吵架,你也馬上找一件事跟家人吵架,這就是量子糾纏。

然而,量子到底是什麼?跟身心靈、宗教和玄學真的扯得上關係嗎?是否真能幫助你維持健康又賺大錢呢?

在這一系列影片裡,我們就要來討論,量子力學的原理為何?背後又是基於哪些科學的研究成果。等你看完之後,相信對於量子力學跟上述五花八門商品究竟有沒有關係,心裡自然會有所答案。

量子力學和意識有關?

坊間常會聽到量子力學跟意識有關的說法;或許也是因為這樣,量子力學被許多身心靈成長課程甚至玄學拿來作為背書。但,量子力學真的是這樣子嗎?

說到量子力學跟意識的關係,我們就必須來看看,量子力學最著名的實驗之一,20 世紀的物理學大師費曼(Feynman)甚至曾經說過,這個實驗「包含了量子力學的核心思想。事實上,它包含了量子力學唯一的奧秘。」它,就是雙狹縫干涉實驗。

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雙狹縫干涉實驗

現在我拿的器材,上面有兩道狹縫,中間間隔了非常短的距離。等一下,我們會讓雷射光通過這兩道狹縫,看看會發生什麼事。

我們看到,雷射光在打向雙狹縫之後,於後面的牆上呈現有亮有暗的條紋分布,這跟我們在國、高中學過的波的性質有關。

在兩道光波的波峰相會之處,會產生建設性干涉,即亮紋的位置;而暗紋的部分,則是來自破壞性干涉,是兩道光的波峰和波谷交會之處,亦即,光的效應被抵銷了。

在歷史上,雙狹縫干涉實驗占有非常重要的地位。19 世紀初,英國科學家、也是被譽為「世界上最後一個什麼都知道的人」的湯瑪士.楊(Thomas Young),利用雙狹縫實驗,證明了光是一種波。

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那麼,如果我們拿不是波的東西,來進行雙狹縫實驗,會看到什麼結果呢?讓我們試驗一下。

現在我手邊有一堆的彈珠,前面是用紙板做成的兩道狹縫,後面則是統計彈珠落點的紙板。我們讓這些彈珠朝狹縫的地方滾過去,並在彈珠最後的落點劃下記號;若在同樣位置的記號越多,就代表有越多彈珠打中該位置。

在丟了一百顆彈珠之後,我們可以看到,扣除掉一部份因為路徑被擋住、通不過狹縫的彈珠之外,彈珠最終抵達的位置,大致分別以兩道狹縫的正後方為最多,呈現兩個區塊的分布,不像先前光的雙狹縫干涉實驗中,出現明暗相間的變化。

所以,我們得到結論:若是拿具有物理實體的東西進行雙狹縫實驗,因為其一次只能選一邊通過,所以落點最終只會聚集在兩個狹縫後方的位置;而且要是行進的路徑不對,還可能會被擋住。

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至於波的情形,那就不同了,只要狹縫的大小適當,波可以同時通過兩個狹縫,並互相干涉,產生明暗相間的條紋。

換言之,是波,還是物質,兩者在雙狹縫實驗的表現是截然不同的。

只不過,以上的實驗似乎並沒有什麼太令人感到意外的地方,我們也看不出來,它跟量子,還有意識,到底有什麼關係?事實上,若要真正顯示出它的獨特之處,就要來看電子的雙狹縫干涉實驗。

電子的雙狹縫干涉實驗

我們知道,電子是組成原子的基本粒子之一,而原子又組成了世間萬物。可以說,電子是屬於物質的一種極微小粒子。

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在電子的雙狹縫干涉實驗,科學家朝雙狹縫每次發射一顆電子,並在發射了很多顆電子之後,觀察電子的最終落點分布會怎麼呈現。

既然電子是物質的微小粒子,那麼在想像中,應該會跟我們前面使用彈珠得到的結果差不多,電子會分別聚集在兩道狹縫後方的區域。

從實驗的記錄影片中可以看到,在一開始、電子數量還很少的時候,其落點比較難看得出有明顯規律,但隨著電子的數目越來越多,我們慢慢能夠看出畫面上具有明暗分布,跟使用光進行雙狹縫實驗時得到的干涉條紋,有著類似的結構。

這樣的結果,著實令人困惑。直覺來想,既然電子是一顆一顆發射的,它勢必不可能像光波一樣,同時通過兩個狹縫,並且兩邊互相干涉,產生明暗相間的條紋。

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但無可否認,當我們用電子進行雙狹縫實驗時,最後得到的結果,看起來就跟干涉條紋沒什麼兩樣。

對這出人意表的觀測結果,為了搞清楚發生什麼事,科學家又做了更進一步的實驗:

在狹縫旁放置偵測器,以一一確認這些電子到底是通過哪一個狹縫、又如何可能在通過狹縫後發生干涉。

這下子,謎底就能被解開了――正當大家這麼想的時候,大自然彷彿就像在嘲笑人類的智慧一樣,反將一軍。

科學家發現,如果我們去觀測電子的移動路徑,只會看到電子一顆一顆地通過兩個狹縫其中之一,並最終分別聚集在兩個狹縫的後面――換言之,干涉條紋消失了!

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在那之後,科學家做過無數類似的實驗,都得到一樣的結果:只要你測量了電子的路徑或確切位置,那麼干涉條紋就會消失;反過來說,只要你不去測量電子的路徑或位置,那麼電子的雙狹縫實驗就會產生干涉條紋。

在整個過程中,簡直就像是電子知道有人在看一樣,並因此調整了行為表現。

在日常生活中,若有人要做壞事,往往會挑沒人看得到的地方;反過來說,當有其他人在看,我們就會讓自己的言行舉止符合公共空間的規範。

量子系統也有點像這樣,觀測者的存在與否,會直接影響到量子系統呈現的狀態。

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只不過,這就帶出了一個問題:到底怎麼樣才算是觀測?如果我們在雙狹縫旁邊只放偵測器不去看結果算嗎?我們不放偵測器只用肉眼在旁邊看算嗎?或是,整個偵測過程沒有人在場算嗎?

這就是量子力學裡著名的觀測問題(measurement problem)。

結語

在量子力學剛開始發展的數十年,有許多地方都還不是那麼清楚,觀測問題就是其一。在歷史上,不乏一些物理學家,曾經認真思考,是否要有「人的意識」參與其中,才能代表「觀測」。

如果真是這樣的話,那麼「意識」就存在非常特別的意義,而且似乎暗示人的意識能夠改變物質世界的運作。

有一些物理學家曾認真思考,是否要有「人的意識」參與其中,才能代表「觀測」。圖/envato

可以想見地,上述出自量子力學觀測問題的猜測,後來受到部分所謂靈性導師跟身心靈作家的注意,於是,形形色色宣揚心靈力量或利用量子力學原理進行療癒、冥想或身心靈成長的偽科學紛紛出籠,直到近年都還非常流行。

另一方面,可能因為量子兩個字帶給人一種尖端科學的想像,坊間琳瑯滿目的商品即使跟量子力學一點關係都沒有,也都被冠上量子兩字;除此之外,商品宣傳裡也常出現一堆量子能量、量子共振等不知所謂的概念,不然就是濫用量子力學的專有名詞如量子糾纏、量子穿隧等,來幫自己的商品背書。只要有量子兩字,彷彿就是品質保證,讓你靈性提升、身體健康、心想事成。

對此,我就給三個字:敢按呢(Kám án-ne)?

事實上,量子力學至今仍是持續演進的學問,我們對量子力學的理解也隨時間變得越來越豐富。現代的物理學家,基本上不認為我們可以用意識改變物質世界,也不認為「意識」在「觀測」上佔據一席之地,甚至可以說正好相反,人的意識在觀測上根本無關緊要。

不過,我們不會那麼快就直接進入觀測問題的現代觀點。在之後接下來的幾集,我們會先從基本知識開始說起,循序漸進,讓你掌握量子力學的部分概念。而在本系列影片的最後一集,我們才會重新回到觀測問題,並介紹量子力學領域近幾十年來在此問題上獲得的進展。

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「倘若那天……」平行時空的你過得怎麼樣?——《超次元.聖戰.多重宇宙》
2046出版
・2024/02/10 ・1920字 ・閱讀時間約 4 分鐘

從無法逆轉的抉擇,到平行時空

但人總喜愛想像,現實世界中無法「重頭來過」,但小說和電影的虛擬世界當然可以。在好萊塢電影《今天暫時停止》(Groundhog Day, 1993;港譯:《偷天情緣》)之中,男主角最先猶如惡夢般不斷在同一天的清晨醒來,後來卻利用這個機會不斷改善他的追求技倆(不但 take two,更take three、take four……),最後贏得美人歸。

電影為觀眾帶來了美滿的結局。但筆者最早領略「如果」作為小說創作中的奇思妙想,卻令我傷感不已。話說筆者自初中已經愛上科幻小說。大概是中三、四那年,我在公共圖書館借了一本英文的短篇科幻小說集,其中一個以「如果」為題的故事(名稱早已忘記)令我畢生難忘。

故事中,一對恩愛的小夫妻駕車外出,丈夫有點兒不適所以改由太太開車。不幸途中遇上車禍,坐在司機位的太太重傷身亡。丈夫悲痛不已終日借酒澆愁,揮之不去的自責是「如果我那天沒有跟她對調位置……」。

一天,他在拾理太太的遺物時,竟然發現她的日記簿中有新的記事!讀將下來,原來在另一時空裡,兩人當天的確沒有對調位置,所以因車禍去世的是他而不是愛妻!

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這兩個「平行時空」原本不會重疊,卻不知怎的透過這本日記簿接通了。結果,「陰陽相隔」的倆人藉著日記互訴衷情。

圖/envato

這本已是十分淒美的情節,但後來日記中的字樣變得愈來愈模糊,最後完全消失,表示兩個「平行宇宙」最終分離而回到互不相通的狀態。筆者當年雖然只有十五、六歲,被觸動的哀愁卻是久久不能平復……。

年少的我已經深深感受到,人生中充滿了無數偶然的變數,而一個簡單的決定,足以改變一生。

多年後,我看到另一部電影《雙面情人》(Sliding Doors, 1998;港譯:《緣分兩面睇》),發覺也是用上了同一意念:女主角每天搭地鐵上班,但某天因事遲了一點而趕不上平日搭的那班車。電影基於「趕得及」和「趕不及」兩種情況,描述了女主角往後出現的兩種截然不同的人生。(我後來才知道,這乃改編自一部一九八一年的波蘭電影。)

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歷年來,運用這類意念創作的小說和電影可謂不少,近年流行的好萊塢「超級英雄」電影中,《奇異博士》(Doctor Strange, 2016)和它的續集《奇異博士 2:失控多重宇宙 》(Doctor Strange in the Multiverse of Madness, 2022;港譯:《奇異博士 2:失控多元宇宙》)更將「平行時空」的意念延伸為「多重宇宙」(Multiverse)。陣容更為龐大的《復仇者聯盟 3:無限之戰》(Avengers 3: theInfinity War, 2018)和《復仇者聯盟 4:終局之戰》(Avengers 4: Endgame, 2019)皆以同樣的意念作為故事主軸。當然,這些電影都由漫畫改編,亦即這些意念的出現時間比電影還要早得多。

《媽的多重宇宙》將平行時空的意念發揮得淋漓盡致。圖/giphy

但將這個意念發揮至極的,毫無疑問是二○二三年橫掃奧斯卡最佳電影、最佳導演、最佳編劇多項大獎的「怪雞」1 電影《媽的多重宇宙》(Everything, Everywhere All At Once,縮寫是 EEAAO;港譯:《神奇女俠玩救宇宙》)。華裔演員楊紫瓊(1962-)更因此而封后(最佳女演員);同樣是華裔的關繼威(1971-)以及潔美.李.寇蒂斯(Jamie Lee Curtis, 1958-)則分別獲得最佳男、女配角的殊榮。電影由兩位導演掌舵,雖然兩個都叫 Daniel,但一個是香港人關家永(Daniel M. Kwan, 1988-),一個是美國人丹尼爾.舒奈特(Daniel Scheinert, 1987-)。2 囊括了這麼多大獎,電影的風頭可謂一時無兩。由於有這麼多華人參與其間,全球絕大部分華人皆感到與有榮焉。

外國的評論幾乎一面倒地對這部電影讚譽有加,包括其中所包含的深刻人生哲理、愛情與理想之間的抉擇、亞裔移民在美國所遇到的生活困難、世代之間的價值矛盾、同性戀(非主流性取向)的社會認同問題,以及貫穿電影的、最重要的母、女之情。不少網友更留言說看至結局時感動流涕。反倒在華人世界,包括不少筆者所認識的朋友,皆對電影甚有保留,認為它寫情的部分毫無新意,而「科幻」的主題和情節則過於胡鬧不知云。(一些更認為電影被大肆吹捧,是近年席捲西方的「政治正確主義」的結果。他們更為另一位最佳女主角競逐者凱特.布蘭琪(Cate Blanchett, 1969-)不值。但那是另一篇文章的主題,暫且按下不表。)

註解

  1. 粵語,意指奇怪、荒謬。
  2. 因二人名字皆為「Daniel」,而被合稱為「Daniels」。

——本文摘自《超次元.聖戰.多重宇宙》,2023 年 11 月,二○四六出版,未經同意請勿轉載。

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