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爱读书的海伦 奇异博士、多元宇宙与测量问题 本文选自：《 <奇异博士> 与哲学》 [美]马克·D·怀特 主编； 仇舒一 译.
作者简介 菲利普·伯格霍夫（Philipp Berghofer）是奥地利格拉茨大学的在读博士生、讲师，奥地利科学院博士助学金的获得者。他的主要研究方向为现象学、认识论和物理哲学，专注于钻研明证（evidence）的概念。最近，他在当地一家礼品店入手了一只阿戈摩托之眼，自那之后便多次展开“谈判”。 “我们从多元宇宙的其他维度获取能量，念出咒语，铸成盾牌和武器，从而施展法术。”由此，古一法师在2016年电影《奇异博士》中将法术的概念引入了漫威电影宇宙(MCU)。到目前为止，MCU构架的是一个狭隘的科学宇宙，超级英雄的能力或多（钢铁侠）或少（雷神）可以用科学来解析。而法术是相当棘手的内容，所以一些粉丝担心，纯粹依靠法术的奇异博士可能不太适合这个宇宙。由这部电影看来，将法术容纳进来的方式不仅从科学角度而言很复杂，而且触及了物理哲学中堪称最核心的一个问题——测量问题(measurement problem)，有关多元宇宙本质的探讨更是引发了如何解释量子力学的深层哲学问题，而答案可以从奇异博士那里获知一二。 一只奇异的猫 我们从古一的说法中得知，MCU里的法术是从多元宇宙的其他维度汲取能量后生成的，这听起来像是科幻小说的设定，但其中有一点很可能在科学上站得住脚，即我们生活在一个巨大的多元宇宙中。当前的科学思辨给出了多种有关多元宇宙的概念，其中有一个便是基于我们要探讨的量子物理学。 物理学家、天文学家亚当·弗兰克(Adam Frank)是《奇异博士》的科学顾问，他分享了一些关于在电影中引入多元宇宙的想法： 多元宇宙有[一]个量子力学的多世界诠释说(many-worlds interpretation)，每当量子事件发生时，宇宙就会分裂出一个平行版本，而且每一个平行的宇宙都在不断演化、分裂、演化、分裂。你可以把这个额外的其他维度想象为其他宇宙——我们谈论过很多次这个想法，电影中也有大量借鉴。(1)
亚当·弗兰克 多世界诠释说将多元宇宙比喻为一棵树，量子层面每一种可能发生的结果都形成了自己的现实分支。用著名的思想实验“薛定谔的猫”(Schrödinger's cat)举例。假设有一只猫在一个装有不稳定原子的盒子里，原子可能衰变然后杀死这只猫，量子物理学倾向于认定猫并非活着或死了，而是既活着又死去，直到有人打开盒子去查看，猫的状态才能确定为其中一种或另一种。而在多世界版本的多元宇宙中，我们打开盒子时就形成了一个猫活着的现实分支，同时形成另一个猫死去的分支，两者都存在于多元宇宙的平行宇宙中。 量子力学的论调或许听起来很古怪，但是在实证和阐释方面这是最成功的科学理论，只是其核心仍然留下了一个深刻的哲学难题。量子力学似乎认为，连猫那么大的物体也会同时拥有两种对立的状态，既死又活，可是我们从未见过这样的情况，更无法对其进行测量。这是否代表量子力学有误，还是我们的生活经验其实只是幻觉罢了？关于量子力学的诸多解读对这些问题给出了不同的答案。这也表明解释物理的理论堪称哲学思考，严格来说，它其实超越了纯粹的科学任务。 哲学与物理 ——并不是那么奇异的组合 《奇异博士》中有个重复出现的主题尤为关键，那就是我们人类在宇宙中应当扮演的角色——我们只是无情宇宙中的一粒粒微小尘埃吗？更确切地说，我们只是无情多元宇宙中的微小尘埃吗？漫威漫画(Marvel comics)里建立了完善的多元宇宙体系，现在MCU已经正式将其引入，而其引入方式涉及物理学哲学的一个核心问题。 哲学和物理学两个学科自萌生起就密切相关。米利都的泰勒斯(Thales of Miletus, 公元前624—前546)是公认的西方哲学和希腊数学之祖，也因成功预测了公元前585年5月28日的日食而名动四方，此外他的贡献还包括引入了探索自然的新方法，让从神话传说中找寻答案的做法上升为观察、提出假说、总结理论的科学方法。举个例子，就是在观察到苹果落地后，先提出“质量物体互相吸引”的假说，假说必须具有可检验性，或者提出能在实验过程中得到验证或证伪的预测。假说经过成功检验后，就可以得出牛顿万有引力定律这样的科学理论。不过即使是经过缜密验证的科学理论也可能与最新的观察结果不符，或者被新理论推翻，就像万有引力定律已经被爱因斯坦的广义相对论超越。 由于自然科学取得了巨大成功，许多科学家（也包括许多哲学家）开始相信科学能够解答所有重要问题，毕竟，如果经验方法是获得知识的唯一正当途径，那么所有哲学都可以归结为自然科学。这正是电影开头斯特兰奇医生表现出的态度。但是很多哲学问题无法通过观察和实验得到答案，比如：对与错的差别是什么？何为幸福的感觉？我们怎么知道自己知道什么？其中许多问题本质上是超越了物理层面的形而上问题，自然无法用科学来回答。 哲学和物理学之所以关系密切，是因为它们共同关注变化、时间、空间和物质等事物的本质。(2)所以我们丝毫不意外笛卡尔等著名哲学家为数学和物理学做出过重要贡献，而爱因斯坦(Albert Einstein， 1879—1955)等物理学家也促进了哲学的发展，甚至使用思想实验之类的哲学方法培养物理洞察力。(3)
物理学哲学是两个领域交汇之处，关注的是如何解读物理理论。(4)但这些数学模型告诉了我们哪些现实，又揭示了现实世界的哪些方面呢？量子力学在这方面就有着其特殊的地位，因为如前所述，量子力学是物理学家提出过的最成功的理论之一。而对于我们日常所见的现实，量子力学的运算又能向我们展现什么？物理学家——至少关注这个问题的物理学家们——和哲学家还没有定论，不过多元宇宙给我们提供了探讨解读方式的机会。 提升等级 最小物质与最大物质通过某种方式紧密关联，这是物理学向我们展现的一个最美的物理现实，只有深入了解粒子物理，才能解释恒星为何闪耀而行星为何拥有质量。根据多世界诠释说，有关最小物质的理论，也就是量子力学，表明了我们生活在一个庞大且不断分支的多元宇宙中。 古一告诉斯特兰奇医生，“此间宇宙只是万千宇宙中的一个”，不过已知最早的关于多元宇宙的科学言论其实来自诺贝尔奖得主埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger， 1887—1961)，他于1952年在都柏林的演讲中宣称自己理论所预测的不同现实并不仅仅代表着可能性，“它们都在同时发生”。(5)多元宇宙的概念通常被认为是科学的理论，然而，或许更应该称之为某种科学理论的预测。(6)例如，有经验证据表明空间可能是无限的，如果确实如此，如果空间并非绝对真空，而是充斥着均匀分布的物质，那么由此可得，宇宙间存在着无数和我们可见的宇宙一样大的区域，在无数个这样的平行宇宙中，又有无数个宇宙与我们的相同……无限性对直觉来说着实是一种挑战！ 或许有人会说，如此一来，我们这个宇宙“也只是无情多元宇宙中的另一粒微小尘埃”。用当代宇宙学家麦克斯·特马克(Max Tegmark)的概念来描述，我们刚刚所说的是一级(Level Ⅰ)多元宇宙。如果MCU是一级多元宇宙，那么就存在着无数个奇异博士，彼此隔着遥远的距离。二级(Level Ⅱ)多元宇宙则由许多平行的一级多元宇宙组成，目前很多关于宇宙膨胀的学说都对此进行了预言。一级宇宙都遵循相同的物理定律，但二级中的宇宙会体现出更大的差异，光速等物理常数也不尽相同。 稍等，接下来更加精彩——比一级和二级多元宇宙更违背直觉的是三级(Level Ⅲ)多元宇宙，这个概念要追溯到引入多世界诠释说的物理学家休·埃弗里特三世(Hugh Everett Ⅲ， 1930—1982)。让我们回忆一下，多世界诠释说认为宇宙每经历一次量子事件，就会产生一个分支。因此，多元宇宙中存在着无数个你我的副本。(7) 这一种多元宇宙与一级/二级的版本有显著区别，倒有些类似于《奇异博士》所引入的多元宇宙设定。一级/二级多元宇宙里的个人不会影响现实框架或其他平行宇宙，但是在三级多元宇宙中，可以通过量子实验来开辟现实分支并创造出一整个宇宙。此外，有些人认为后者可以通过量子计算，如果在该领域取得成功，那么表明我们确实生活在这样一个多元宇宙中。(8)正如特马克写到的，量子计算机“最简而言之就是利用三级多元宇宙的并行性进行并行计算(parallel computation)”。(9)
这些听起来都像MCU里法师在做的事，就如古一对奇异博士说的： 这神秘法术的语言自文明诞生起就存在。很久以前，法师们将这种语言称为“咒语”，如果你觉得这个词不够现代，那就理解为程序，是搭建现实的源代码。我们从多元宇宙的其他维度获取能量，念出咒语，铸成盾牌和武器，从而施展法术。(10) 就像斯特兰奇最初并不相信法术，一些当代科学家对多元宇宙也持有疑虑，部分原因在于有关多元宇宙的许多预言都无法进行检验。很多科学家完全没把它当回事，但其他一些却认为“量子理论证实了存在着多个宇宙，毋庸置疑”，(11)并且“到这个时候了，唯一令人震惊的就是这点居然还有争议性”。(12) 漫威多元宇宙与MCU 与地球-616相比，科学在MCU的分量更重。漫威试图保持MCU电影和电视剧在科学方面的协调步调，所以漫画中的所谓“法术”在电影中得到了一些科学解释，除了《奇异博士》，《雷神》等早期电影也同样如此——从细节方面来看，简·福斯特(Jane Foster)在漫画中是地球-616的一名护士，而在MCU中是一位一流的天体物理学家；从宏观设定来看，比如，用爱因斯坦-罗森桥(Einstein-Rosen bridge，一种特殊虫洞)的原理来解释彩虹桥(Bifrost)。 在2014年的电影《银河护卫队》中，收集者(the Collector)提过MCU诞生于六个奇点(singularity)塌缩导致的大爆炸，在这一过程中，奇点压缩形成了六个无限原石(Infinity Stones)。其中一颗是时间宝石，保存在阿戈摩托之眼中，奇异博士在电影尾声便是使用了时间宝石制造时间循环，困住多玛姆，然后拯救地球。数千年前，第一任至尊法师阿戈摩托发现了其他维度的存在，他学会从这些平行宇宙获取能量，也意识到潜伏在那里的威胁，于是建立了三座圣所来捍卫地球，抵御最强大的外维度威胁——邪恶的黑暗维度统治者多玛姆。除了黑暗维度，MCU中还有星灵维度(Astral Dimension)和镜像维度(Mirror Dimension，见《奇异博士》)，量子领域[Quantum Realm，见《蚁人》(Ant Man)和《奇异博士》]，地狱和暗力维度[Hell and the Darkforce Dimension，见《神盾局特工》(Agents of S.H.E.L.D.)]，以及昆仑[K'un-Lun，见《铁拳》(Iron Fist)]等其他平行维度。
回顾上一节中有关多元宇宙的分类，我们可以提问：MCU属于其中的哪一类？《奇异博士》所引入的多元宇宙大量借鉴了著名量子力学多世界诠释说的概念和观点，不过这个问题很难回答，因为电影没有提供足够的信息，而且物理学哲学中尚有一个最重要的问题——测量问题。 奇异博士既是又不是至尊法师？ 量子力学无疑是最重要的科学成就之一，就解释力和预测的准确性而言，这是物理学上最成功的理论，可以认为它与广义相对论一起构成了所有物质科学的基础，其应用范围涵盖了激光技术、磁共振成像(MRI)、电子显微镜和我们每天使用的电脑及手机等电子设备。然而，在某种意义上，量子力学也是“物理学的巨大丑闻”。(13)尽管量子力学极其成功地告诉了我们可以测量的事件可能性，即预言测量结果和宏观现象的发生，但是它未能提供可以解释其自身成功的可靠概念框架。简而言之，什么是测量？为什么量子领域和我们看到的宏观领域之间如此天差地别？ 量子力学的核心是量子叠加(quantum superposition)，这一原理似乎与我们日常所见所得均有所冲突，毕竟我们从未见到过猫处于既死又活之类的叠加形态。所以出现了一个令人迷惑的局面：要么量子力学错了，要么我们的日常经验完全错了。 双缝实验(double-slit experiment)展现了量子力学最迷人的方面之一，它表明光子这样的物质会处于粒子和波的叠加态，直到我们试图去观察或测量它。我们或许认为单个光子会像粒子一样，要么通过隔板上的左缝，要么通过右缝，但它其实会像波一样同时穿过左缝和右缝（处于波粒叠加状态），这就是双缝实验的结果。但是诡异的事情发生了，实验者在缝隙旁装上探测器之后再去观察，却发现光子不再同时通过两道缝，而只通过其中某一条。也就是说，当我们在缝隙旁检测到光子时，它们就不再显示波状行为，因此观察或测量本身似乎会导致波函数的塌缩。 此外，薛定谔方程(Schrödinger equation)提出“叠加可以通过相互作用'扩散’”并“放大到宏观层面”。(14)那么不仅像光子这样的量子对象可以处于叠加形态，就连猫、石头和至尊法师等大物体也可以做到。可是为什么我们观察不到这种宏观叠加呢？量子力学错了吗？一种颇为流行的说法是观察会导致波函数的塌缩，这就引出了我们的重点。 猫和不稳定原子进了间酒吧……(15) 理解“观察导致波函数塌缩”是测量问题的核心。对此学界有不同的解释，统称为量子力学的“诠释”(interpretation)，这已经到达了哲学的层面。物理学建立量子力学形式体系，编辑方程式，做出可检验的预言，但是这体系所解读的现实——例如，波函数是真实的物体还是仅仅是数学工具——严格意义上来说超越了物理学。波函数塌缩现象的量子力学诠释也是如此，其中最有影响力的是由尼尔斯·玻尔(Niels Bohr， 1885—1962)发展起来的哥本哈根诠释(Copenhagen interpretation)。哥本哈根诠释发展出了不同版本，不过根据最贴近玻尔本意的那个版本，我们能知道波函数在受到测量时塌缩，只是我们不知道这种情况为何发生。由这种实用方面去理解的话，量子力学和科学往往只能提供精准预言可观测现象的方法，而无法解释世界的本质或其原因。 不少研究人员认为这像是一种逃避。我们希望科学不只能用来对世界做出预测，也能解释自身的运作原理。以和量子力学共同构成当代物理学基础的广义相对论为例，它告诉我们时空(spacetime)是弯曲的，且质量和能量都能导致时空弯曲，此时我们不仅相信该理论能帮助我们成功地预言，更想要相信时空确实是弯曲且可以被弯曲的。对于量子力学，我们似乎没有理由区别对待——不过这属于哲学判断，而不是纯粹的科学论断。 哥本哈根诠释的另一个版本最先由冯·诺伊曼(John von Neumann， 1903—1957)提出，后来得到了尤金·魏格纳(Eugene Wigner， 1902—1995)的发展，该版本认为观察者的意识导致了波函数在受到观测时塌缩。在MCU中，古一所说的“思想塑造现实”便体现了这一点。如果该假设成立，冯·诺依曼-魏格纳诠释对解读思想与物质的争论就具有深远的哲学意味，比如，坚称意识和物质独立存在的二元论会受到挑战，将所有心理现象归因于物质状态的唯物主义也会出现不同的意见。
著名思想实验“薛定谔的猫”的本意在于动摇哥本哈根诠释的基石，但具体看来更适合用来反驳冯·诺依曼-魏格纳的诠释。如上所述，假设盒子里有一只猫和一个不稳定原子，一个小时内，原子核有50%的可能性不会衰变，有50%的可能性会衰变，后者就会导致猫毙命。这个不稳定原子处于衰变与不衰变的叠加态，如果叠加可以通过相互作用传播，那么猫是否也处于死亡和活着的叠加态？冯·诺依曼-魏格纳诠释认为，只有在打开盒子并观察时猫的状态才会塌缩成死亡或活着中的某一个，在此之前它实际上处于看似荒谬的既死又活的叠加态。不过多世界量子力学诠释说，以及由其发展出的多元宇宙说，能帮助我们理解这一切。 那么多猫，那么多奇异博士 起初多世界诠释说并没有受到重视，现在却已经是测量问题的主要方法之一，得到了许多知名物理学家的认可。其支持者认为每当量子事件发生时，波函数并没有塌缩，而是现实分裂成所有可能的分支。如果打开盒子看到猫还活着，这意味着在我们这个现实分支中原子没有衰变，但在另一个分支中它衰变了（盒子里的猫也已死去）。 不过猫也好，所有人也好，乃至我们整个宇宙都依然处于叠加态。在每个现实分支里，我们只观察到量子事件的其中一种结果，即猫要么死了，要么活着，但是猫在不同宇宙中的不同化身既死又活，所以整个多元宇宙本身还是叠加态。多元宇宙的状态本身可以由这个波函数表示——宇宙波函数。多世界诠释说称，我们的宇宙因为不断发生的量子事件而不断分裂，在多元宇宙中的不同分支中创造出无限个现实世界和无限个自己。（也就是说在多元宇宙中确实存在一些暗黑、可怖的宇宙，甚至是从未发表过《奇异博士》——和本书——的宇宙！） 尽管科学家们对多世界诠释说的接受度较高，但仍然有很多人持反对意见，部分原因就是该说法与我们的直觉相悖。直觉是哲学推理的一个关键，当代哲学家阿尔文·戈德曼(Alvin Goldman)写道：“哲学方法论与科学方法论的分水岭就是对直觉的依赖性，前者在各种方面都依赖直觉。”(16)我们就是“知道”，一条陈述不可能既真又假，站得住脚的论点胜过站不住脚的论点，谋杀违背道德。 然而，我们对物理世界结构的许多直觉都被证明是错误的。我们直觉地球是平的，但地球其实是宇宙里的一个球体；我们也感觉不到地球居然在绕着太阳高速旋转。更违背直觉的是空间和时间的弯曲实质，且质量和能量会导致时空弯曲，但是大量实验都证实了这一点。数千年的进化历程至少在一定程度上塑造了我们对物质世界的直觉，不过时空形状或多元宇宙本质的真理并不是生存繁衍的必需信息。在很多领域，直觉或许是值得信赖的认知来源，但在宇宙结构领域里不是。莫度建议斯特兰奇“忘掉你自以为知道的一切”，这句忠告不只适用于刚刚启蒙的巫师，也适用于你我这样试图理解宇宙基本规律的普通人。 多世界诠释说似乎也与奥卡姆剃刀原理(Ockham's razor)冲突。这个原理也称为简单原则，它提出要“避繁就简”：如果对于同一个现象有两种科学假说，那么在其他条件相同的情况下，就选择更简单的那一个。(17)直观看来这非常合理（而且非常直观）。例如，行星运动的一种假说是所有行星以太阳为中心绕着太阳旋转，另一种假说是地球位于中心，太阳围绕地球旋转，而所有其他行星绕着太阳转。二者的区别可能就在于看待的角度——你要是愿意，也可以将月亮放在中心——但是最简单的肯定是以太阳为中心，而地球作为其中一个行星绕其旋转，越简单就越利于预测和理解。
多世界诠释说认为存在着无数个平行宇宙，而作为量子力学唯一需要多个世界存在的解释，它不太符合简单的原则，所以奥卡姆剃刀原理似乎会动摇其地位。不过它的简单性体现在其他重要方面，我们能够凭借它优雅地解决测量和叠加问题，而不必使用“隐藏变量”(hidden variables)之类的替代性解释，不用诉诸更复杂的动力学，或将观察者的意识归纳为强大的“波函数塌缩因素”。由此看来，奥卡姆剃刀或许会认为多世界诠释说是我们最简单的理论。 我们脱离了时间……真的吗？ 多世界诠释说允许人类在塑造现实方面发挥惊人的主动性，我们可以通过量子实验来分裂现实，创造全新的宇宙，也可以利用多元宇宙结构进行量子计算。甚至有人认为，通过多世界诠释说可以解决时间旅行的“祖父悖论”，这意味着一个人可以回到过去杀死祖父，自己也不会因此而无法出生，因为一个不同的宇宙（或时间线）被创造出来了。(18)关于奇异博士用时间循环困住多玛姆的方法，多世界诠释说肯定会给我们提供另一种思路：除了将多元宇宙用作法术之源，这也是奇异博士操纵多元宇宙的另一种方式。在某种程度上，可以他的法术“简单”地看作量子实验——就像把猫带出盒子一样。 注释 (1) Sarah Lewin, “'Doctor Strange’ Physicist Talks Mind-Bending Marvel Science,” Space.com, November 3, 2016, 可见http：//www.space.com/34604-mind-bending-science-doctor-strange.html。 (2) 但是需要指出，许多物理学家并不认为哲学可以为物理学做出任何有用的贡献，正如一句名言所说：“科学哲学对于科学家的作用就像鸟类学对于鸟类一样。” (3) 除了爱因斯坦之外，我们常认为伽利略(Galileo Galilei， 1564—1642)进行了思想实验以了解大自然的运作规律。参见James Brown, The Laboratory of the Mind：Thought Experiments in the Natural Sciences (London：Routledge, 1991)。 (4) 更多请参见Dean Rickles, The Philosophy of Physics (Cambridge：Polity Press, 2016)。 (5) David Deutsch, The Beginning of Infinity (New York：Penguin, 2011), 310. (6) 参见Max Tegmark, “Many Worlds in Context,”in Simon Saunders, Jonathan Barrett, Adrian Kent, and David Wallace (eds.), Many Worlds? (Oxford：Oxford University Press, 2012), 553-581。 (7) 我应该说明，特马克的分类中还有一种多元宇宙——四级(Level Ⅳ)多元宇宙。这一级别非常疯狂，因为在这里，只要是数学上可能存在的一切都实际存在着，平行宇宙的基本物理方程式可能天差地别，使得这些宇宙远远超出你（或《奇异博士》的幕后特效法师）的想象极限。 (8) 参见David Deutsch, “Apart from Universes,” in Saunders et al, Many Worlds?, 542-552, at p.542;以及Deutsch, The Fabric of Reality (New York：Penguin, 1997)。 (9) Tegmark, “Many Worlds in Context,” 578. (10) 所有引用对话均来自2016年电影《奇异博士》。 (11) David Deutsch, “Comment on Lockwood,” The British Journal for the Philosophy of Science, 47(1996)：222-228, at p.224. (12) Deutsch, “Apart from Universes,” 542. (13) David Wallace, “Philosophy of Quantum Mechanics,” in Dean Rickles (ed.), The Ashgate Companion to Contemporary Philosophy of Physics (Abingdon：Ashgate, 2008), 16-98, at p.16. (14) Rickles, Philosophy of Physics, Section 7.4. (15) 比较著名的英语双关笑话，包括“A guy walks into a bar. Ouch!”（一个人撞上杆，痛死了！）或者“Three guys walk into a bar. The fourth guy ducks.”（三个人撞了杆，第四个人躲开了。）这一系列笑话的关键在于“walk into bar”的双重含义，因为“bar”一词既有酒吧的意思，也有杆子的意思。此处标题说“a cat and an unstable atom walk into a bar...”那么你觉得后面会发生什么？——译者注 (16) Alvin Goldman, “Philosophical Intuitions：Their Target, Their Source, and Their Epistemic Status,” Grazer Philosophische Studien, 74(2007)：1-26, at p.1. (17) 正如莎兰雅·米斯拉(Sharanya Misra)医生试图理解所目睹的神秘现象时，王对她说的：“解释简单些的，往往比复杂的更好。”(Devin Grayson，Doctor Strange：The Fate of Dreams, New York：Marvel Worldwide, 2016, 18.) （文中图片来自网络） 新浪微博账号： 实践与文本 欢迎搜索并关注 实践与文本 编辑：杨思维 ------------------------------------------------------------------------------------ 相关推荐 |
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