【基礎科研】談量子力學（二）

前文解釋了量子去相干的基本精神是大數量的凝態原子在接觸微觀粒子的過程中，會有打破其量子相干關係的趨勢，使該粒子表現得如同一個古典的骰子。但是這個古典的骰子到底會選擇哪一個答案，卻還是隨機的。不過因爲測量儀器和被測量的粒子都屬於同一個整體的量子波，所以結果仍然在邏輯上自洽。換句話說，薛定格的貓若是被箱内的量子隨機機制殺死了，整個宇宙就步上了死貓歷史的路；若是沒有被殺，宇宙則走上了另一條活貓歷史的路。總結來說，每次有微觀粒子和巨觀物體接觸，前者的量子態就被去相干，一個隨機結果被記錄下來，宇宙的歷史又在岔路口做了一個選擇。

宇宙有大約10^100個原子和電子，光子更是多到不可計數；在137億年的宇宙歷史中，每個原子、電子或光子可以遭遇多次的量子去相干經驗；在岔路口面臨的選擇還可能是連續的（例如雙縫實驗裏，粒子打到墻上的位置）。把這些數目乘起來，宇宙在歷史上面臨過的岔路選擇之多，可能是人類在實際經驗上所能遭遇的最大數字。於是就有了一個新的問題：歷史沒有走上的岔路原本也是宇宙量子波的一部分（甚至可能是一大部分，例如如果薛定格的貓原本被設定爲九死一生，但是結果是它活下來了，那麽沒有發生的反而是原本機率空間的90%），難道就這樣憑空消失了嗎？

1957年時，一個叫做Hugh Everett的美國人提出一個看法，認爲每次歷史分岔時，所有的岔路都被“實踐”了，宇宙分裂爲許多不同的歷史道路，只因爲不同的歷史道路之間沒有任何溝通的可能，所以生活在任何一個歷史下的人衹能感覺到自己的特定歷史。這個説法後來被叫做“Many-Worlds Interpretation”（“多重世界解釋”）。

到1990年代，超弦被證明有至少10^500個解，因而沒有任何預言的能力（可能的解越多，理論就越沒有針對性回答問題的能力；例如0=0有無限多解，也就對回答x=？沒有任何意義），也永遠不能被證僞，結果超弦論者一窩蜂地開始鼓吹多重世界解釋，以致到現在多重世界解釋成爲新的主流。其實多重世界解釋裏面的許多世界，與超弦產生的許多解，完全沒有對應的關係，兩者在邏輯上是互相獨立的。但是超弦論者正想要重新定義科學是什麽，而多重世界解釋剛好也有很大（其實是更大）數目的多重可能，也同樣不能被實驗證僞，所以就成爲了超弦論者的最愛。

不過雖然多重世界解釋不能被實驗證僞，它在邏輯上卻有很大的毛病，衹是超弦論者當然不知道也不在乎。首先，在很多量子去相干的事件中，相干性并沒有降到數學上的零（我們可以確定這點，因爲量子波仍然始終遵守波動方程式，而在很多場合下，波動方程式的時間演化過程不可能產生連續的真正零值），衹是變到極小，在物理測量上等同是零。所以看起來像是兩條岔路，其實是同一條路，衹不過中間的安全島很不好走罷了。多重世界解釋的第一個邏輯毛病，就在於它假設量子去相干總是產生真正的離散（Discrete）結果，而實際上有很多情況下，離散的表象衹是一個近似。

多重世界解釋的另一個邏輯毛病，在於它所做的隱性哲學假設。基本上所有其他對量子力學的解釋，都衹有一個現實（Reality）的存在（Existence）；而多重世界解釋卻說凡是數學上允許的解，都是存在的現實。換句話説，現實沒有什麽特別的，唯一的限制是必須在數學上邏輯自洽。但是“邏輯自洽”是一個很鬆的要求，我們可以輕易地想像出除了量子力學之外，還有無限多的其他自洽系統，那麽那些其他系統的解是否也是存在的現實呢？如果數學自洽是唯一的要求，那麽現實存在就衹是幻覺，那麽爲什麽當我凝思一個自洽的數學系統的時候，沒有出現對應的新宇宙呢？不同宇宙不能互相溝通，固然是達成自洽的一個方式，但是可以互相溝通的不同宇宙應該也能達成自洽，那麽爲什麽我們沒有觀察到呢？

多重世界解釋還有一個經驗法則上的問題，就是它不但違反了Occam's Razor，而且是所有違反中最惡劣的。這是因爲它爲了解釋一個世界，而必須介紹N個世界，而N正是我在前面提到的宇宙在歷史上面臨過的岔路選擇的總數目，極可能是人類在實際經驗上所能遭遇的最大數字。Occam's Razor和可證僞性一樣，是科學的基石。多重世界解釋不但不可證僞，還以最嚴重的方式違反了Occam's Razor，那麽至少我個人認爲它不應該被當做科學的一部分。

Everett提出多重世界解釋，基本還是一個懶字：如果我們存在的這個現實有什麽特別，那麽它就應該衹有一個，而要能證明單個現實的自洽性，是很難的。多重世界解釋避免了這項工作，但是其實別人早已做出來了，這就是de Broglie的Pilot Wave（導航波）理論。de Broglie是量子力學的創始人之一，但是他不像Bohr、Schrodinger或Heisenberg那樣先發論文、再做計算、最後若是有空再想清楚道理（Bohr顯然一直都沒空），所以就沒有搶發那麽多論文，也就沒有他們那麽有名。de Broglie認爲量子波衹是一個導航裝置，裏面還是隱藏著一個真正的點粒子，而這個點粒子就對應著唯一存在的現實。

要證明導航波理論的自洽性，并不容易，de Broglie自己沒有完成。一直到1952年，David Bohm才把整個理論建構成功，所以導航波理論也叫做Bohmian Mechanics。我不想在這裏寫下一大堆數學，所以請有興趣的物理學者自行去找資料（例如這裏：http://www.bohmian-mechanics.net/）。這套理論是所有量子力學的解釋中，唯一邏輯嚴密完整，而且還明確標定出所有因果關係（Causality）以及現實的特別性。它的另一個好處，是可以確實算出量子力學比古典力學多出的那一項，不但明確地標定出兩者的差異，而且還解釋了雙縫實驗中爲什麽粒子能轉彎。但是爲什麽至今很少人聽説過呢？這有一大兩小三個因素。

首先是前文提過的歷史原因：高能物理界一直到1980年代才擺脫了量子波崩潰論，但是隨即被超弦席捲，於是多重世界解釋成了新主流。其次，BM的邏輯太清楚嚴謹了，所以很難寫新的論文。但是另外還有一個理由，使很多高能物理學者對導航波理論嗤之以鼻，那就是它很明顯地是非局部（Non-Local）的理論，因此明確地違反了相對論，從而也與量子場論不相容（量子場論是特別爲相對論發展出來的）。但是最近幾年的實驗卻一再證明量子力學的確是非局部的（包括今年八月的這個新實驗，參見http://www.nytimes.com/2015/10/22/science/quantum-theory-experiment-said-to-prove-spooky-interactions.html?_r=0），所以錯的是相對論（或許應該說相對論衹是一個近似而不是絕對正確的）。我在下一篇文章再詳細討論這個非局部性的問題。