宇宙的本質是什麼？量子的悸動中隱含著怎樣的奧秘？

知識 07-21

酒店多元宇宙：平行宇宙就像酒店房間，每一個都差不多——只有微小的不同，以雜訊的形式存在著，它們在告訴我們，我們擁有的是哪一個。Louis Fox / 華蓋創意

對物理學家而言，徹底的靜默，等同於終極雜訊。即便我們把手機靜音，我們的思想依然在活躍；即便我們阻止一切振動，量子的雜訊依然伴隨左右。它意味著隱藏在大自然深處的一種不確定性，狀態的突變，和無法解釋的運動，既是萬物所固有的，也是一種讓人難以理解的特徵。它看上去毫無意義可言。

人們把希望寄托在物理學家身上，希望他們對這種無所不在的雜訊作出解釋。但它依舊是科學中的一個最大謎團。量子理論對這些雜訊的來源，以及它們的呈現方式絕口不提。該理論中的定義性方程——薛定諤方程，從頭到尾都是確定性的。完全沒有雜訊的立足之地。要對量子粒子的嘈雜作出解釋，我們需要更多的原理。

對於像尼爾斯·玻爾這樣的老派物理學家來說，觀察行為本身就是決定性的。薛定諤方程擬了一個清單，列出了粒子行為的所有可能性，而只有當我們對一個粒子進行測量後，才有機會在這個清單中隨機選擇一種。相同的粒子能夠作出不同的選擇，其基本過程會以一種不可控的方式，展現出不同的結果。在玻爾看來，對量子雜訊的解釋到此就結束了。正如約翰·惠勒所言，這是「創建的基本行為」，它是沒有先決條件的。世界的創生，並非源自遙遠過去的某個事件，而是我們賜予的連續過程。是我們對這個世界的觀察，創造了這個世界。

懷疑論者如愛因斯坦，既認為這非常浪漫，也覺得它完全不可理解。誰是「我們」？什麼是「觀察」？物理學家和哲學家，用盡一整個世紀中那些最好的時光，來尋求好懂一點的解釋。我們可以假定量子雜訊，就像我們在日常生活中所遇到的雜訊一樣，帶有某種含義，只是我們無法理解。表面上的不確定，可能源於某種確定的過程，只是由於種種原因，我們無從得見這些過程。這就好比，如果我們生活的宇宙是無數平行宇宙中的一個，我們無從得知哪一個是我們的宇宙。雜訊本質上是在告訴我們，我們生活在哪個宇宙。這些粒子行為的微小起伏，是我們這個宇宙區別於其它宇宙的關鍵，而它們之所以呈現為「雜訊」，是因為我們出現在哪裡，是一種純偶然事件，就像我們訂酒店的房間時，被安排到了314，而非159一樣。

雜訊本質上是在告訴我們，我們生活在哪個宇宙。

我們也可以假定量子雜訊確實毫無意義，而量子理論——也如波爾所認為的那樣是不確定的。在這個方向上，我們需要面對的挑戰，可能就是如何給「觀察」作個更好的定義。1986年，三位物理學家吉安卡洛·吉拉迪、阿爾伯托·瑞米尼和圖裡奧·韋伯，提出了GRW理論。他們認為，量子雜訊的無意義並不僅在其自身，對於實驗者所謂的觸發行為也是如此。事實上，一切都只是假像。該理論認為，這是一種完全自發的行為——單個粒子的波函數每1億年會發生1次的主動塌縮。

在曠日持久的大討論中，GRW理論及其變種們扮演了一個特殊的角色。雖然它們不是量子力學不確定性的唯一理解方式，卻也是唯一一種把不確定性——如雜訊——展示出來的詮釋方案。和其它理論不同，它們沒有把不確定性深埋在亞量子層面中。GRW同時也是極少數可供驗證的理論。現在，我們終於可以用數據來檢驗一個從德謨克利特和柏拉圖時代就開始的爭論：宇宙在根本上是否是確定的？

GRW理論認為，粒子所表現出來的偶發性雜訊，會為它們打開一扇通往不同地點的現實之門。這種情況不會經常出現，否則粒子的行為就會隨時偏離薛定諤方程。這種自發性出現的概率，大約是1億年1次，因為一旦出現，其效應就會被量子的糾纏特性——粒子間幽靈般的相互聯繫——極度放大。一個粒子的波函數一旦塌縮，所有與其有糾纏關係的粒子都會感知到。

這樣的倍增效應，可以很好地解釋為什麼我們在粒子層面看到的量子行為不會在日常生活中發生——為什麼一個粒子沒有確定性可言，而一個宏觀物體是確定的。儘管一個人或一顆行星可能會短暫地處於不確定狀態中，但它是一個大目標，它體內至少有一個粒子會迅速地發生波函數塌縮。這個粒子，及其所有糾纏同伴的位置都會被固定下來。一個對象如果擁有10^23個彼此糾纏的粒子，那它大約每十億分之一秒就會被固定一次。

量子雜訊的這種行為發生在空間位置上，同樣也會對別的特性產生間接影響。薛定諤那隻又死又活的貓很快就能分出死活，因為與這兩種情況相對應的，是貓體內粒子的不同空間排列方式，按照GRW理論，它會從中作出選擇。

GRW理論也能讓觀察這個詞不再那麼神秘。觀察只是把一個粒子和一群粒子相關聯，因此我們可以獲得與這個粒子有關的特性。在這種情況下，我們是把這個粒子暴露在將一群粒子固化的、已經塌縮了的波函數面前。我們可能並沒有像波爾所說的那樣直接創造出現實，而是把無處不在的波函數雜訊作用在對象身上，否則它就會轉瞬即逝。

通常人們認為，熵的增加是因為無序之道多於有序。

和量子力學一樣，GRW理論的形式也是數學，它並不聲言這個世界的構成——也就是哲學家所謂的本體論。它的創始人原本構想出了一個粒子本體論：一個原子的世界。但即使宇宙只有彌散的物質和力場，這個理論也講得通。GRW理論作為一種針對量子力學的詮釋，和其它理論的區別，在於它認為量子雜訊是不可被觸發的。結果是自發出現的。因此，嚴格來說，它並不依賴於其它存在。這個理論開啟了一種全新的可能：宇宙是由純粹的雜訊構成的。

這種徹底的抽象主義觀點，最早是1987年由以色列物理學家約翰·貝爾提出的，後來又經羅格斯大學羅德理克·特米爾卡的發展。他們認為，宇宙就像一個漆黑的、被閃光燈隨意照亮的禮堂：它是一系列不相連的瞬間，而不是連續的存在。由於我們的觀察被包括在這些隨機的瞬間之中，因此我們無法區分出這個宇宙和下一個宇宙。我們可能會發現，一個粒子此刻在這裡，過了一會又在那裡，因此很自然地，會假設它曾經出現在這兩者之間，而事實上卻可能並不是這樣。假如它並未曾出現在這兩者之間，那麼粒子的存在方式，可能就與我們通常的理解不同了。

我們並不一定要接受這種觀點，但這是一種有趣的暗示：這是解決量子糾纏和相對論間矛盾的唯一已知方向，而不是將這兩者中的一方全盤拋棄。即便是發展得最完善的量子理論，量子場——這種專為調和這兩者而創立的理論，也沒有消除測量過程中引發的衝突。正如愛因斯坦所意識到的那樣，假如量子物理具有不確定性，那麼糾纏態粒子間的瞬間感應又是什麼。這種效應非常微弱——且無法傳遞信號——但「瞬間」一詞在相對論中依然是被禁止的。相對論中「相對」一詞的意義是對於觀察者而言，時間的流逝是相對的，因此一個瞬間完成的過程是沒有客觀意義的。當一位觀察者看到一個效應後，另一位觀察者即便在相同的位置上也有可能會看不到，因此悖論出現了。但這一矛盾在GRW理論中不存在，因為不同的觀察者，擁有各自的「閃光」。無論有多少這樣的「閃光」，它們都沒有特定的原因，它們在時間中的排列次序並不重要。無論哪個閃光先出現，薛定諤方程都會確保它和下一次閃光相關聯。在空間和時間中，不存在什麼機制能夠產生這種關聯，因此相對性在此不適用。

即便是提出這一「閃光」觀點的人也並不怎麼喜歡這個假說。沒有時空機制，我們似乎失去了對這種關聯性作更深層了解的一切希望，我們只能野蠻地全盤接受這個事實。但這個假說仍然值得我們思考，因為它證明量子糾纏和相對論並不是全然矛盾的，同時它也在暗示，調和這兩個理論，需要我們對空間和時間中存在的意義進行反思。

宇宙的本質是什麼？量子的悸動中隱含著怎樣的奧秘？

被雜訊擊碎：理論上，碎裂的手機屏幕能夠自我復原。是量子雜訊干擾了構成屏幕的分子，使之成為不可能。Rokas Tenys / Kittibowornphatnon / Shutterstock

GRW理論還可以用來解決物理學中完全不相干的問題。戴維·阿爾伯特，是哥倫比亞大學的哲學家，原來是一位理論物理學家。他認為，這一理論有助於解釋熱力學第二定律：熵的發展趨勢——熵，大致上可以理解為一組分子的無序程度——它在一個封閉的系統中會與日俱增。通常人們認為，熵的增加是因為無序之道多於有序，因此一個完美有序的系統，會自然而然地趨向於混亂。但是教科書忽略了重要的一點：為什麼無序的可能性要更大？一個系統，能夠以無限種不同方式被組織在一起，在無限種有序狀態和無限種無序狀態之間，並沒有誰指出一條明確的道路。

簡而言之，把手機扔到地上，把屏幕摔碎太容易了。而一部碎壞的手機，通過分子的正確運動，自發修復的可能性也不是沒有。可惜我們從未見到過這種事情。這並不是因為反轉狀態在本質上具有稀有性。事實上，分子通過正確排列，回復有序狀態的方式也有無限多種。面對這個問題，物理學家通常只是承認：假設反轉狀態是稀有的。

而阿爾伯特認為，問題的關鍵並不在於數量，而是它們在空間分布上的可能性。反轉是狀態之海中的孤立小島，它們處在通往更加無序的路途中。他認為，形勢並不取決於對狀態數量的假設。用稍微不同的方式扔下手機，屏幕仍會碎裂。但屏幕要想自我修復，分子必須以恰到好處的方式運動，稍有偏差都不行。量子雜訊就在這裡扮演著它的角色。它會對這個系統產生持續的影響，不斷地產生微小的偏差。假如宇宙能夠反轉，雜訊就會迅速回歸常態。

這個觀點要得以成立，雜訊就必須是自發產生的——它必須不依賴於任何觸發機制，如進行測量。而且，雜訊必須是真正不可再分的——在這方面我們不能再犯無知的錯；雜訊同時也需對粒子產生足夠多的干擾，這樣才可以阻止任何形式的反轉。而唯有GRW及各種對量子雜訊的解釋，才能滿足這三個條件。

宇宙的本質是什麼？量子的悸動中隱含著怎樣的奧秘？

GRW是一個強大的理論，但它的實驗預測到目前為止，還無一被驗證。這些預測中包括了許多奇特的效應。比如，它會導致電子在毫無徵兆的情況下轉向，並釋放出X射線。義大利國家核物理研究所的卡特琳娜·卡西努和同事們去年公開的研究結果表明，這種情況至少每10億年才會發生1次，這顯然把GRW理論最初的估算結果給否定了。量子雜訊會對LIGO這樣的引力波探測器產生影響。因為它在感測器上產生的效應是否明顯，和感測器的大小有關，所以這樣的實驗是否能夠成功，不僅取決於雜訊突變發生的頻率，還取決於受其影響區域的大小。現有感測器測得的雜訊極低，無法提供有力的支持。

按照GRW的機制，它的複雜性是超乎想像的；例如，粒子對雜訊的敏感性取決於它們的質量。這看起來頗有道理。因此這一理論仍然是有生命力的。但是缺乏一個清楚明白的信號終歸令人氣餒。如果這個理論在基礎層面上倡導的是不確定性，那麼它的「零」成果，使宇宙的根本層面看起來倒具有某種默認的確定性。

確定性並不會完全消除雜訊，而只是對它們進行重新定位。通過物理學定律，我們能夠對雜訊每一次突變的源頭進行追蹤——它不會像GRW理論中所描述的那樣無中生有，而是擁有特定的軌跡。理論上，我們可以通過這些軌跡，回溯到宇宙的初始狀態，回溯到一個包含了所有雜訊，所有雜訊聚集在一起的時期。無論這些雜訊的源頭是什麼，它們都是世界的原始物，在此基礎上，經由各類演化和浮現，塑造出豐富多彩的模式。

物理學家在實驗室里，尋求去除雜訊，將其簡化的內核呈現給世人。但在某些更深的層次上，他們去除的是信號，展示的是雜訊。他們在此基礎上，提出了一個根本性問題——雜訊是否就是信號？「對於上帝而言，一切都是信號，」南加州大學工程和法律教授巴特·柯斯克曾經這樣說過。但是誰又敢保證，反過來就是錯的呢：對於上帝而言，一切都是雜訊；而人類，通過創造自身的意義，把一切轉化成了信號。

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