第四章 多重歷史論 II ─ 陪你讀霍金《大設計》The Grand Design

陳以聖 / 原載:κrazian

一般人總認為科學都是極為精確的,以致於一聽到「測不準原理」,就覺得難以接受。我們不妨把它當作更高層次的科學,或者,將其視為「新型態」的精確。因為,「保證」你一定測不準,難道不也是一種準確嗎?更何況量大之後的整體行為是能夠精準描述的。就好像說,沒辦法保證妳下一胎一定可以生女的或男的,但是全球的男嬰和女嬰的比率,總是維持在 106 比 100。不但準確無比,還可以充分的以男孩愛冒險、體質較差等所導致的較高死亡率來解釋這個自然演化的結果。而有誰會說這實在太不科學了呢?

然而,測不準原理的不確定性和日常生活中所談的不確定性,在本質上還是不同的。手上這支飛鏢射出去時,到底會射中靶上的那一個點;氣象報告說,今天晴時多雲,降雨機率百分之四十三;比薩斜塔如果不去搶救,十年內不倒塌的機率為何?這些生活周遭的不確定性,究其根源,並非其本質上的不確定,而是我們能力上的問題。也就是說,如果我們蒐集足夠的資料,涵蓋所有的變因,擁有充足的運算資源、時間,這些都是可以算得出來的。但是,量子物理上的測不準,乃是其本質上如此,除了量大時才有的統計上的確定性,你根本無從對個別事件「計算」起。這個差別非常重要!

尤有甚者,那顆射往球門的「足球」粒子,你不但能算出它在屏幕上某一點出現的機率,還能算出它在宇宙中任一點出現的機率。這大概已經超出絕大多數人最最「科幻」的想像了。儘管聽起來是那麼的不可思議,量子力學仍然準確的符合實驗觀察的結果,讓人不得不信服。科學頑童費曼(Richard Feynman)曾說:「我可以很肯定的說,這世上沒人真的弄懂量子力學!」這就有趣得緊了:人們不但寫出一個自己都難以置信的理論,而且,還沒有人搞得懂,更「離譜」的是,它還「正確」得很。不過,別昏倒先,更精采的還在後頭。

如果之前我們談「自體干涉」現象時,你再進一步認真推論下去,就會把自己嚇壞。1940 年費曼就是這麼一推,讓大家瞪大了眼睛。如果那個射門的粒子走的是右邊的縫隙而到達屏幕,那麼,左邊的縫隙到底有沒有開,對它的影響是甚麼呢?為什麼有開它就會形成「自體干涉」,產生條紋圖案,而沒開就不會?難道它在飛行的途中「設法」得知另一個縫隙的狀態,進而改變自己的行為嗎?

注意到這裡逐漸要進入高潮了。

既然量子力學說了,粒子從出發到終點的射門過程當中,並沒有一個確切的位置與路徑,或者說,所有的路徑都有可能,而其可能性的機率值又是可以推算而得的,那麼,我們可不可據以認定,它其實「同時」走上了所有的路徑。每一個路徑的機率值,我們可以把它想像成是「濃度」,機率愈高的路徑濃度愈高。如此的想像便形成了一幅圖畫,飛行的粒子幻化成了濃淡有致的波浪向前湧去。我們所「感知」的粒子,似乎只是一個代表,或象徵。當我們覺得它呈現的是粒子的特性時,它就代表整個「效用」的核心,這是它的「實」;而當我們觀察到它的波動特性時,它變成了整體波動的象徵,這是它的「虛」。而這「虛實」二元,或粒子、波動二元,說的都是同一件事情:虛者實之,實者虛之;虛即是實,實便是虛。是不可分的整體。

當然,費曼沒說這麼多。他只說,路徑不可測,並不必然等於它甚麼路都沒走,我們何不當作它甚麼路都走了呢?所謂「甚麼路都走了」,當然包括簡單的直走,也包括了右縫去左縫回再右縫去這種耍寶式的走法,還包括到台北豪宅內亂闖一氣再去外太空走一圈才回來的這種無聊透頂的走法。所以,它這麼一趟看似單純的射門,天底下所有的秘密都已經被它看光光,而你還一無所知,夠嚇人吧!如此說來,另外一個狹縫有沒有開,自然會對它產生影響囉。接下來費曼做了許許多多的計算,結果真的可以用這樣的概念,完全導出量子物理的所有定律。夠神吧!這下子就看你要不要信了。

所以,一個粒子或光子會不會到達「球門」或屏幕上的某一點,就得看「所有可能的路徑」所「疊加出來的效果」如何而定了。所謂的「疊加效果」,必須從干涉現象來體會,也就是說,它走這些可能的路徑到達該點時,彼此之間是完全不合拍的呢?完全合拍的呢?還是大致上傾向於何者?幾乎完全合拍,則它出現在該點的機率就接近百分之百。若是光子,那點就會是高亮度的;若是粒子,那位置就會疊出一堆。反之,若紛亂不一,彼此的「效用」等於互相抵銷掉了,我們就說它在該點出現的機率幾乎為零。如果射門的是光子,則該點就是漆黑一片;若是粒子,那麼該處就是空無一物。如此,便解釋了雙狹縫實驗為何會形成干涉條紋的圖案了。

所以,「無」也許並非真無,而是疊加抵銷的結果。也就是說,「無」有多種可能,從真無一直到「萬有」都有機會呈現出「無」的表象。難怪佛家要說空即是色,色即是空;道家要說無中生有,太極生兩儀四象八卦乃至於萬物。

那麼,我們平常看到的足球比賽,為什麼不會出現這種詭異的事呢?因為,當粒子的質量很大時,根據測不準原理,其不確定性其小無比,變得微不足道,以至於只有我們所看見的那條路徑的「機率」值最大,也就是逼近百分之百,所以在我們短暫的生命當中,是沒有機會看到它突然飛到觀眾席繞一圈再進門的。

這種「所有可能的事情都同時發生著,而吾人所見乃其總疊加後的等效結果」的道理,稱為量子力學的「歷史疊加 sum over histories」,或「多重歷史 alternative histories」概念。這概念對我們隨後的討論非常重要,務必細心體會。

有了多重歷史的概念,我們再回頭看看觀察者和被觀察者之間互動的問題。

「我們」並非超然物外的觀察者。由於我們和所觀察的事物同處於一個世界,甚至同一個「情境」當中,以致於無法「純」觀察,而完全不去影響到所觀察的東西。如果我們想要「看見」一個運動中的物體,就必須有光線照射到它,並反射到我們眼中或記錄設備上,這才看得見,紀錄得到。明亮的光線,內含大量的「光子」;最微弱的光線,也至少要有一個光子。排山倒海的光子打在籃球上,並不會將它打歪,所以籃球比賽的時候,可以不用關燈。如果禁止攝影,那也不是因為怕影響了球路或比賽結果。但是,只要一個光子打上了電子,它的「命運」就被你改變了。

在雙狹縫干涉的實驗裡,我們說,因為粒子「走了所有可能的路徑」到達屏幕,這些路徑當然就包括了「經過第一狹縫」和「經過第二狹縫」的所有路徑,因此,形成了干涉的明暗條紋圖案。現在,我們來變個花樣。這回燈光打亮在狹縫處,藉此觀察粒子到底走那一個狹縫過去。如此,既然我們已經「真確」的知道了它所「選定」的路線,便無法自欺欺人的說:它走了所有可能的路徑了。那麼,這下子干涉現象還能怎麼自圓其說呢?說出來你會嚇一跳,因為,干涉現象就這麼憑空消失了!哇,真是名副其實的「見光死」哩!怎麼會這樣呢?

如果您還有懷疑,那麼我們再把實驗改良一下:燈光打得暗一點,好似「偷偷的」看它一般。所謂的「暗一點」,其實就是打向狹縫區的光子數大幅的減少。少到「有些粒子在飛行的途中會被光子打到,有些則不會」的程度。你猜猜看,結果會如何?對了,沒「見光」部分的粒子形成了干涉的圖案,而「見光」部分的粒子則沒有干涉的情形。

這下夠清楚了吧,我們可以說:「觀察本身就是一種干涉。」而且,所影響的不僅僅是現在與未來,還甚至包括「過去」。這和我們的直覺和經驗簡直完全牴觸,我們總以為「過去」代表著既成事實,意味著無可改變,不管你有沒有去觀察它都一樣。如果你闖禍了,眼睛閉得再緊也無濟於事,不是嗎?但是量子物理的發現卻說,在你不觀察時,粒子所走的是所有可能的路徑。無論你眼前的觀察是多麼的仔細,它的過去和未來都是不可知的,你唯一可以確定的只是各種可能狀況的發生機率。也就是說,你眼前這個宇宙並無「單一版本的歷史」可言。

為了更清楚的說明「過去是可以改變的」,物理學家 John Wheeler 將雙狹縫實驗的觀察部分做了創意十足的調整,稱之為「延後選擇 delayed-choice」實驗。這個實驗唯一的差異只在於觀察的時間點,這回我們不在狹縫處決定觀不觀察它,而延後到粒子即將碰到屏幕前的一剎那。想想看,都已經到了最後關頭,那粒子到底決定「只走」一個狹縫,還是兩個狹縫「都走」,不都是早已「決定完畢了」的嗎?這當兒再去觀察它,難道它還能趕緊回頭去竄改歷史不成?結果,屢試不爽,情況和你在狹縫處觀察一樣,「見光死」的效應依然存在,所有被你觀察到的粒子,都不會產生干涉圖案。這表示甚麼呢?改變現在,也改變了過去。所以,別因為年輕時不懂事,老是怨嘆著惱錯過了什麼美好的事情。真的,量子物理已經洩漏了天機予你:任何時候開始都不嫌晚,因為,「過去」是可以改變的,而秘訣就在於改變「現在」。

John Wheeler 又進一步的狂想:如果把尺度拉大,假設光源是來自數十億光年外遙遠的類星體(quasar),它發出的超強光線在到達地球之前,行經某個銀河系時,部份分散的光線被重力重行聚焦到地球上。那銀河系扮演的角色其實就是一雙狹縫隔板,而地球就是那個終點屏幕。目前的科技當然還沒辦法做這樣宏偉的實驗,所以說是狂想,但是,按照「延後選擇」實驗的結果,可以想見,只要在到達地球之前觀察它,看它到底走的是那一條路徑,則干涉圖案將立刻消失,而你所改變的,竟然是數十億年前的事件!那時候地球甚至都還沒誕生哩。太神奇了吧。

接下來我們將再談論幾個神奇的宇宙定律,然後將粒子實驗中的「多重歷史」概念,應用到整個宇宙上。請看「陪你讀霍金《大設計》The Grand Design」第五章,那關於一切的理論。

Comments

寫得非常的好, 特別是充份發揮中文特有的句構與幽默
把艱深的物理以輕鬆的筆法導入
讓人想一讀再讀
說真的您寫得比原著還吸引人
期代你的下一章的導讀!!!

Sean,謝謝您的好評。何不留下名號頭銜,也許出書時可以託您的美詞多銷幾千本,就是現下流行的那樣,在封皮掛滿各界名流推薦的那種花樣!

可以啊, 期待你把整本書各章節以武俠小說的筆法呈現
霍金的原文書, 雖說已經把物理數學減到最低, 但是還是有些硬梆梆
經你深入玄出的筆調, 相信會讓更多的人投入物理學研究, 畢竟當Sean 物理鑽研到盡頭是夠刺激的!
而你的武當論劍筆法, 相信是科普的福音

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