“你是否相信,月亮只有在看着它的时候才真正存在?”

爱因斯坦在一次散步中,向他旁边的学生提出了上面这个问题。看似玩笑的话,其实源于爱因斯坦对量子理论的质疑。

量子理论是有史以来最成功的科学理论,理论与实验结果极为相符。不过,它有个大问题——测量问题。

实验表明,电子等微观粒子可以像水波一样发生干涉,说明它们具有类似波的性质。然而,如果你直接的观察它们,它们就会变为一个有着具体位置的粒子。

1926年,奥地利物理学家埃尔温·薛定谔提出了一个描述粒子波行为的方程。方程中,粒子的这种行为可以用一个被称为波函数的数学实体来代表。波函数并不能肯定地告诉你,当你观察一个粒子时,它会出现在哪里。相反,它会告诉你,粒子会有多大的概率出现在某处。

但是在测量之前,粒子是处在什么状态呢?最受欢迎的答案,称为哥本哈根诠释,是以量子理论先驱之一尼尔斯·玻尔所在的丹麦哥本哈根大学命名的。哥本哈根诠释是说,一个粒子在观察之前的状态就是不确定的。这里的不确定,可不是指这个粒子处在某种我们不知道的状态,而是这个粒子如同有了分身术一样,能同时处在所有可能的状态中。当对它进行观测时,其波函数会发生突变,从一个不确定的状态变为一个确定的“真实”状态。这种突变过程被称为波函数坍缩。

换句话说,当我们不注意时,这个世界是模糊的和不确定的。只有通过看着它们、观察它们、测量它们,我们才能使它们成为“真实的”。

既死又活的猫

然而,哥本哈根诠释与我们日常生活的体验大相径庭,甚至连薛定谔本人都接受不了。为了表明其荒谬性,薛定谔提出了一个著名的思想实验:想象一个密封的盒子,里面有着一个放射性物质和一只猫。这个放射性物质的波函数告诉我们,在一定时间内,它有一半的概率发生衰变。如果发生衰变,盒子内的机关会打破一个有毒的药罐,那只猫就会因此而死掉。

问题就来了:在你打开这个盒子之前,这只猫处于什么状态?哥本哈根诠释认为,在你打开这个盒子之前,放射性物质同时处在没有衰变和发生衰变的状态中,这意味着猫也同时处在既是活的又是死的状态中。薛定谔本人觉得,猫既活又死,是一件很荒谬的事情。

如果你把这个装着猫的盒子推广到整个宇宙,那麻烦就更大了。我们当前的宇宙,是因为我们观测了它,所以成了今天的恒星和星系。但是,如果没人观测的话,那么,现在宇宙粒子的波函数就不会发生坍缩,它们的位置也就是不确定的。位置不确定,也就无法确定地说哪里物质多,哪里的少,也就因此没有恒星和星系,宇宙会始终处于“混沌”状态。

这简直让人一头雾水!

多重世界理论

我们不观测,宇宙粒子的波函数就不会发生坍缩,也就是说,在我们观测之前,宇宙不是现在这个样子。这根本不可能!既然哥本哈根诠释有着这么多问题,那么如何解释现在的宇宙呢?

现在我们就来看看物理学家提出的其他种类的诠释。

一个较为著名的是多世界诠释。它的出发点就是波函数从来就不会发生坍缩,一个粒子从始至终都会分身术。对量子物体测量后,每一个可能的观测结果都会出现。那么,为何我们只会看到一种结果呢?多世界诠释认为,宇宙在观测后会“分裂”出多个平行世界,而每个观测结果都分别位于它自己的世界中。这意味着打开盒子后,薛定谔的猫仍是既活又死,只不过每个状态处在不同的世界中。(见图示“谁杀死了薛定谔的猫?”)。

多重世界理论虽然能解决问题,但与此同时,它却带来了“平行世界”这个很富有争议的概念。一些物理学家又提出了另一种诠释:客观坍缩理论。

自发地坍缩

客观坍缩理论第一次是在20世纪70年代提出来的,后来经过许多物理学家不断地完善。它认为,波函数的确会坍缩,但坍缩可以是自发地随机地发生。换句话说,波函数坍缩可以不需要观察者。

理论表明,客观坍缩是一件罕见的事情。一个粒子的波函数要发生客观坍缩,等待的时间可能会长过当前宇宙的年龄。然而,如果把许多粒子集中在一起,粒子间的相互作用,会使得等待的时间急速地缩短。如果有几十亿个粒子聚在一起,那么你可能只需要等待几秒钟,就会发现波函数坍缩了。

有了客观坍缩理论,就不存在既活又死的猫了,月亮也不会因没人看就不存在了,因为像猫或月亮等大的物体有太多的粒子,它们的波函数早就坍缩了,也就是说,它们都是确定的。而在早期的宇宙中,粒子的波函数发生坍缩只是一个时间问题。坍缩后,粒子就有了确定的位置,接下来,它们在引力的作用下,为恒星和星系的形成留下了种子(见图示“这一切如何开始的?”),然后形成我们今天的可观测宇宙。

但科学家们并不能解释为什么会发生坍缩。英国牛津大学的物理学家罗杰·彭罗斯给出了一个可能的解释,认为是引力驱使了波函数的坍缩,但目前物理学家们还没有达成共识。

解答其他宇宙之谜

不过,客观坍缩理论在基础物理学中正发挥不可思议的作用,它不仅可以解决许多量子理论中的问题,而且还可以解答众多其他的宇宙之谜。

黑洞就是一个例子。这个由爱因斯坦的广义相对论创造出来的怪物,可以吞噬周围的一切,就连宇宙中运动最快的光也无法从中逃离。近40年来,物理学家们一直被一个问题困扰着。如果哥本哈根诠释是正确的话,那么波函数坍缩得需要观察者,那么谁是那个黑洞内的观察者呢?对于客观坍缩理论,那么问题就很简单了——波函数坍缩不需要观察者。

客观坍缩理论还告诉我们,粒子的波函数自发地发生坍缩后,粒子还会释放出微小的能量。这种能量很小,我们很难在日常生活中察觉到。但这种能量遍布宇宙,如果把它们都统计起来,总能量可能会很大。一些物理学家相信,这种能量就是暗能量。

上个世纪90年代,科学家发现,有种未知的东西正使得宇宙加速膨胀。这种未知的东西被称为暗能量。不确定性原理告诉我们,即使什么都没有的真空,也包含着某些东西——真空里,会有一对对的虚粒子不断产生和湮灭。虚粒子也携带能量,意味着真空也具有能量。一些物理学家认为暗能量也许就是真空能,但问题是,根据理论得出的真空能量密度,比实际测得的暗能量密度大多了,前者大约是后者的10120倍。

2016年,墨西哥国立自治大学的物理学家丹尼尔·苏达尔斯基与他的同事经过计算后发现,客观坍缩创造的能量也许就是暗能量的来源。这个结果与天文学观测很吻合,这鼓舞了科学家们更加深入地研究客观坍缩理论。

客观坍缩理论是否正确?也许,我们还需要很多年的探索,才能真正解决我们最成功的科学理论中的最大难题。