多看一眼世界就會分裂，觀測真的能創造現實嗎？沒有被觀測的世界是“不確定的”？

大家好,我是斯文 這期視頻我們來說量子力學 說到量子力學 有人肯定會想到 哎,薛定諤的貓對吧 但是很多沒聽過的朋友就會覺得 量子力學跟貓有什麼關係呢 其實這是一隻被關在盒子裏的貓 它的死活取決於盒子裏的一個機關 有沒有被觸發 這個機關一旦被觸發 裏面就會釋放出有毒氣體 這隻貓就會被毒死 但問題是沒人知道這個機關 什麼時候會被觸發 所以只要我們沒打開盒子 就沒人知道里面的貓是死是活 它就處於一種既死又活的狀態 但是大家想想 這個世界上真的有一隻既死又活的貓嗎 其實這只是物理學家薛定諤 提出來的一個思想實驗 並不是真的要把一隻貓放在盒子裏 而是爲了讓大家理解 量子現象有多麼的荒誕 在我們生活的宏觀世界裏 我們的常識告訴我們 根本不可能存在又死又活的貓 而在量子層面的微觀世界裏 這隻貓就是處於一種既死又活的疊加狀態 直到有人去看它 也就是打開盒子 這個狀態纔會坍縮 然後得到一個確定的結果 要麼是活貓 要麼是死貓 那也因爲這隻貓 每天上網衝量的朋友 肯定或多或少都聽過薛定諤這個名字 那薛定諤的貓這個實驗是怎麼來的呢 薛定諤又怎麼會產生這種想法呢 這一切還得從量子力學剛誕生的時候 其實在量子力學剛誕生的時候 科學家覺得 微觀世界不過就是宏觀世界的縮小版 但是慢慢的經過長時間的研究後發現 我們宏觀世界裏的一些物理學公式 在微觀世界裏根本就不適用 比方說一輛正在行駛的汽車 在宏觀世界裏 我們可以根據牛頓的運動定律 準確的計算出它的速度方向等等一系列的參數 但是這個定律在微觀的世界裏就不好使了 因爲一個微觀粒子的位置和速度 是不能同時被確定的 這就是非常有名的海森堡不確定性原理 就說在微觀的世界裏 一個粒子的位置和速度 你只能精確的測量出其中一個 如果其中一個你測量的越精確 那另一個就越不確定 比如你把它的位置測量的很精確 但是它的速度就會變得很不確定 而反過來你要是把它的速度測量的很精確 那它的位置就會變得很不確定 這就是海森堡的不確定性原理 它告訴我們量子力學跟經典物理學 有着本質上的區別 你不能用宏觀的思想去看待微觀的事物 再比方說大家現在可能用手機在看我這期視頻 那大家很清楚的知道你自己的位置 你自己在哪 可能在牀上 可能在沙發上 然後手機在哪 你也知道 可能是拿在手裏 可能是指在桌子上 這些在宏觀世界裏都是可以確定的 但是在微觀世界裏 因爲位置和速度的不確定性 手機可能在你手上 也有可能跑到你身後去 這是由一種概率來決定的 叫波函數 這個我們一會再說 1926年 當時的薛定諤已經39快40歲了 他當時是蘇黎世大學的理論物理學教授 挺厲害的 在他之前愛因斯坦也做過這個職位 但是這麼多年 他在物理學領域一直也沒什麼成績 而且也沒有參與量子力學的早期發展 不過薛定諤的數學特別厲害 有一天他有個朋友叫彼得·德拜 他跟薛定諤說 你數學這麼好 要麼研究一下量子力學 現在這個領域連個像樣的公式都沒有 德拜只是隨口一說 但是薛定諤認真了 於是他花了幾個月的時間 在1926年的上半年 發表了有關量子力學的論文 提出了著名的薛定諤方程 但其實薛定諤並不是第一個 用數學方程描述量子力學現象的人 大概就在半年前 也就是1925年 德國的物理學家維爾納·海森豹 就提出了一個矩陣方程 就像這樣 這個方程給我我都不知道怎麼用 完全看不懂 而且當時很多的物理學家也說 你這個方程有點複雜 那我們回過頭來再看薛定諤的方程 雖然我還是看不懂 但明顯比海森豹的那個方程要簡潔很多 而且這兩個方程從數學層面上看的話 作用是一樣的 所以當時的這些物理學家 都支持薛定諤的方程 因爲它比較簡單好理解 大家可不要小看薛定諤的這個方程 他這個方程就相當於 微觀世界裏的牛頓三大定律 相當厲害了 那從此之後 薛定諤在物理學界一下就出名了 像量子力學的創始人馬克思·普朗克 還有愛因斯坦都指導了薛定諤 薛定諤是出名的 但是海森豹這邊就有點憋屈了 明明是自己先給出的方程 但風頭全讓薛定諤搶去了 而且他的方程也沒錯 只是沒有薛定諤的好用而已 但是被冷落這個事讓他很不甘心 所以他馬上找到了他的老師幫忙 既然方程這方面他輸了 那就想辦法從其他方面超過薛定諤 他的老師非常厲害 就是丹麥物理學家尼爾斯·波爾 這個人當時可是跟愛因斯坦齊名的 拿過諾貝爾物理學獎 他們兩個是哥本哈根學派的主要代表人物 哥本哈根學派是當時最早一批 在薛定諤的方程出現不久之後 以波爾和海森豹爲代表的哥本哈根學派 就提出了兩個概念 就是量子疊加態和波函數探索 什麼意思呢 比方說一個光子 它同時擁有波和粒子兩種特性 既是波又是粒子 這就是所謂的疊加態 當我們不去看它的時候 它就會一直保持這種疊加態 所以我們也沒有辦法確定 它到底是波還是粒子 一旦我們去看它 光子知道你在看它 它就會瞬間探索成一種確定的狀態 比如粒子狀態或者是波的狀態 這就是波函數探索 這個波函數就是表示光子可能處於波 或者粒子狀態的一個概率 那探索就會讓這個值瞬間變成一個確定值 就不再是一個概率了 比方說拋硬幣 波函數就是這個硬幣 每一面朝上的一個概率分佈 然後探索就相當於這個硬幣掉地上了 那都掉地上了 概率也就不存在了 變成確定性了 我應該說明白了吧 所以薛定諤對哥本哈根學派提出的這個理論非常不滿 因爲薛定諤覺得粒子一直都是確定的狀態 沒有你們說的什麼疊加態 跟我們看不看它有什麼關係呢 如果按照你們說的理論 我們看月亮的時候它就存在 那我們不看它的時候月亮就不存在了嗎 這怎麼可能呢 所以當時研究量子力學的這幫人基本上分成了兩夥 一夥是哥本哈根學派這些人 另一夥就只有愛因斯坦和薛定諤 這兩夥人從1927年開始就一直在爭論這個問題 但是誰也沒說服誰 直到1935年薛定諤提出了一個實驗假設 薛定諤想的實驗是這樣的 假設把一隻貓和一瓶毒氣放進一個封閉的盒子裏 盒子裏還有一個裝有放射性原子的監控器 這種放射性原子可能在一段時間內發生衰變 也可能不發生衰變 如果原子發生衰變了 那盒子裏的這個監控器就會檢測到衰變 它就會釋放鐵錘 鐵錘就會砸碎毒品 毒品釋放出毒氣毒死盒子裏的貓 如果原子沒有發生衰變 那貓就會一直活着 這就是我們視頻開頭說的非常著名的思想實驗 薛定諤的貓 現在網上也經常會有人在用這個梗 那薛定諤提出這個實驗的目的 就是爲了質疑哥本哈根學派的波函數探索理論 如果根據波函數探索理論解釋的話 只有當我們打開盒子查看時 貓的狀態纔會探索到一個確定的結果 要麼是活着 要麼是死了 那我們如果一直不打開盒子呢 裏面的放射性原子就一直處於疊加態 既衰變又沒衰變 所以裏面的貓也會跟着處於一種疊加態 既死又活 但是既死又活的貓在我們現實世界中顯然是不存在的 要麼就是活的 要麼就是死了 既死又活是個啥意思呢 昏迷了 不對吧 就剩一口氣了 也不對吧 所以既死又活這個事兒在宏觀世界裏根本就沒法解釋 換句話說 薛定諤的這個實驗通過引入一隻貓的生死問題 說明了哥本哈根學派的理論跟宏觀世界是有矛盾的 如果微觀粒子的行爲可以用你們說的疊加態和波函數探索解釋 那微觀系統和宏觀世界裏的物體 比如說貓相互作用的時候 那你又怎麼解釋宏觀世界的確定性呢 我們要怎麼理解這種現象不會延續到宏觀世界裏呢 面對薛定諤這邊的質疑 大家都在等着看哥本哈根學派怎麼反擊 但是哥本哈根學派根本就沒反擊 而是直接順着薛定諤的這個實驗說 沒錯 在我們打開盒子之前 這隻貓它就是既死又活的狀態 所以圍繞薛定諤的這隻貓又出現了兩夥人 一夥人認爲貓是死還是活 只取決於盒子裏的那個放射性原子有沒有衰變 而不是我看不看的 我看不看它跟這件事沒關係 我爲什麼要去看呢 我只是想知道這隻貓是死還是活 而另一夥人認爲 在沒看到這隻貓之前 這隻貓就是處於一種又死又活的疊加態度 那大家應該也都看出來了 實際上他們還是在爭論波函數探索的對錯 只不過爭論的對象從之前的微觀粒子變成了貓 那大家覺得觀測真的能創造現實嗎 還是說量子系統一直都是確定的狀態呢 1961年匈牙利的物理學家和數學家尤金·魏格納 針對薛定諤的貓這個實驗提出了一個新的想法 他覺得問題出在了觀察上 爲了不用打開盒子就能知道里面的貓是死還是活 他決定把一個朋友和貓一起放到盒子裏 他朋友的任務很簡單 就是在盒子裏面看着這隻貓就可以了 當然了爲了保證他這個朋友不會被毒死 他會提前給它戴上防毒面具 這樣的話一段時間后里面的貓是死是活 這個朋友都能看到 他在裏面絕對不可能看到一隻又死又活的貓 那通過這個方法不就能說明 根本就不存在又死又活的貓了嗎 但是大家想想對嗎 他這個實驗還是有問題 對於盒子裏的他這個朋友來說 他已經看到貓了 所以波函數已經探索到一個確定的狀態了 而對於魏格納來說 他在盒子外面 他並沒有打開盒子觀察 所以整個系統包括他的朋友還是處於量子疊加態 這回更亂了 連他的朋友都處於疊加態了 我有時候就在想 我們跟科學家的區別在哪呢 可能智商是一方面 再就是很重要的一點 他們真是不怕麻煩 這個問題如果換成是我們 可能想想就算了 放過這隻貓吧 想這些有啥用呢 想又想不明白 對我們的生活又產生不了什麼影響 但是這些科學家就真是不怕麻煩 對世界充滿了疑問 他們總是在問爲什麼 爲什麼宇宙是這樣的 爲什麼物質會有這些性質 爲什麼會發生這種現象 其實很多偉大的科學發現都是源於看似簡單的好奇心 愛因斯坦曾經說過 我沒有什麼特殊的才能 我只是充滿了好奇心 所以科學家並不是因爲他們知道答案而去探索 而正是因爲他們不知道答案 還願意相信每個問題背後都蘊藏着新的可能性 而這種可能性最終可能會改變我們對世界的理解 甚至推動人類基礎的進步 進而影響到我們的生活 1956年 魏格納的一個學生叫休·埃夫雷特 他是個數學天才 而且對量子力學很癡迷 癡迷到什麼程度呢 他老師給他留的數學研究課題都不做了 然後跑去研究量子力學 後來他更是直接轉頭到了約翰·惠勒門下 約翰·惠勒我們之前說過 黑洞這個詞就是他提出來的 他也是第一個用計算機模擬出黑洞起點的人 非常厲害的一個物理學家 埃夫雷特在惠勒手下簡直是如魚得水 沒過多久 他就提出了普氏波函數的概念 這是個什麼東西呢 傳統的哥本哈根學派認爲波函數在觀察的時候會坍縮 觀察者的行爲決定了量子系統的最終狀態 而埃夫雷特的普氏波函數完全拋棄了這個觀點 他認爲觀測帶來的不是坍縮 而是分裂的世界 或者我換個說法 普氏波函數又叫多世界理論 或者叫平行世界 這回大家聽懂了嗎 現在很多電影或者小說裏都有平行世界的東西 那埃夫雷特認爲這世界上的所有東西 大到宇宙小到灰塵 根本就沒有過哥本哈根學派說的什麼坍縮 比方說缺零惡的貓 在盒子打開的一瞬間 我們去看它的時候 世界就分裂成了兩個 其中一個世界裏放射性原子發生了衰變 錘子砸碎了毒品 毒氣把貓毒死了 而在另一個世界裏什麼都沒有發生 小貓還好好的活着呢 這下大家終於不用糾結貓是死是活了 而且分裂的不只是貓 觀察者自身也會分裂 一個世界裏的我看到的是死掉的貓 另一個世界裏的我看到的是活着的貓 那兩個世界都有我 哪個纔是真正的我呢 埃夫雷特說 這兩個都是我 他們是各自獨立的 兩個世界完全是平行平等的 這個理論聽上去太不可思議了是吧 我看一眼世界就分裂成兩個了 那我要一直看下去了 那得產生多少個平行世界 但是這個理論並不是埃夫雷特空想出來的 而是他根據薛靈樂的方程 用數學嚴格推導出來的 埃夫雷特的平行世界理論 雖然得到了他導師惠勒的肯定 但是哥本哈根學派這邊根本就不接受 哥本哈根學派在當時已經算是量子力學裏面的權威了 權大愛因斯坦 腳踢薛靈樂 所以他們面對埃夫雷特的這套理論 連辯論的機會都不給他 什麼看一眼就會產生一個世界 純屬扯淡 對於埃夫雷特這種人來說 他不怕因爲這套理論被罵 最怕的是連罵他的人都沒有 他這套理論發表之後 根本沒什麼人關注 就好像啥事都沒有發生過一樣 很快大家就忘了 所以因爲這套理論 埃夫雷特受到了很大的打擊 後來他乾脆放棄了量子力學的研究 離開了科學界 創業當老闆去了 後來埃夫雷特變成啥樣了呢 煙不離手 酒不離口 一天三包煙 變成了一個大肚子的油膩男了 他老是會樂 看了覺得他挺可惜的 也嘗試過勸他再回去研究量子力學 但是他都拒絕了 直到1970年左右 埃夫雷特這套平行世界理論 才被大家重視起來 1957年的時候 也就是埃夫雷特的平行世界論文 剛發表不久 美國的一個物理學家 叫布萊斯·德維特 他也看了埃夫雷特的論文 看完之後 他就一個感覺 這人精神分裂了 而且他還給埃夫雷特寫了封信 他在心裏就質問埃夫雷特 你說世界分裂了 那我怎麼沒感覺呢 我沒感覺自己分裂了呀 埃夫雷特給他回了封信 埃夫雷特說 哥白尼當時說 地球繞着太陽轉的時候 也有很多人問他 你說地球繞着太陽轉 那我怎麼感覺不到自己在轉呢 看着埃夫雷特的回信 德維特也挑不出什麼毛病 而且也不是什麼要緊事 所以很快 德維特也就忘了這件事了 直到1967年 十年過去了 德維特來到了北卡羅萊納大學 擔任物理研究所的主任 他在這裏主要就是從事 量子力學的研究 在經過深入的研究和思考後 他被多世界理論的數學邏輯征服了 我剛纔說了 多世界理論是埃夫雷特嚴格 按照薛定諤的方程推導出來的 所以很快 德維特就變成了多世界理論的支持者 他發表了一篇文章 叫《量子力學與現實》 很快就得到了大量關注 當然隨之而來的 也有很多質疑的聲音 但是我剛纔也說了 質疑總比沒反應強 後來到了1973年 德維特把埃夫雷特當年的論文 還有他自己的一些評論 總結成了一本書 叫《量子力學的多世界解釋》 這本書一經出版一下就火了 這也是埃夫雷特的理論 在他的理論火了之後 他的老師惠勒 又想邀請他回去研究量子力學 這次埃夫雷特的心裏就有點矛盾了 就像疊加泰似的 既想又不想 他想回去 是因爲他確實很喜歡量子力學 他不想回去 可能是因爲當年的事 心裏憋着一股氣 以至於在他的論文火了之後 有人寫信請教他 有關多世界理論的問題 他的回答都是 別問我 我已經尖沉洗手不幹了 直到1977年 德韋特邀請埃夫雷特 在德克薩斯大學奧斯汀分校 做一次有關多世界理論的演講 這次埃夫雷特沒有拒絕 他拿着當年德韋特寫給他的信 來到了德克薩斯大學奧斯汀分校 這是兩個人第一次 也是最後一次見面 這次演講也是他唯一一次 當着這麼多人的面講解他的理論 而跟當年不同的是 他這次沒有被嘲笑 而是得到了所有人的尊重 時至今日 平行世界的說法 可以說是得到了越來越多人的認可 1999年的時候 劍橋大學舉辦過一次 量子物理學投票會議 參加投票的90個物理學家裏面 有30多個人都支持 埃夫雷特的平行世界理論 只有4個人支持哥本哈根學派 剩下的人則是兩邊都不支持 可是這個時候埃夫雷特已經去世了 1982年的時候 他公司破產了 家庭的壓力再加上他抽菸酗酒 7月18號的時候 他因爲心臟病突發 猝死在家裏了 年紀51歲 作爲一個堅定的無神論者 埃夫雷特跟他的妻子說 不要保留我的骨灰 你就把我的骨灰 倒在垃圾桶裏就可以了 他的妻子最開始是不同意的 後來也隨了他的願 但是死亡對於埃夫雷特來說 也許並不痛苦 因爲根據他的多世界理論 肯定還有一個平行世界 在那個世界裏 他的事業很順利 他的家庭幸福美滿 後來他兒子馬克回憶說 他曾經很怨恨他的父親 他覺得他的父親不夠愛他 對他不聞不問的 因爲埃夫雷特生前 很少跟他的子女交流 所以他的幾個孩子 也不知道他爸之前是個科學家 是因爲後來多世界理論火了之後 他們在報紙上看到了 這才知道 原來湯姆的父親 是這麼偉大的物理學家 後來1996年 他的女兒伊麗莎白自殺了 她在遺書中這樣說道 請將我火化 希望媽媽把自己的骨灰 倒在垃圾桶裏 這樣她就可以在正確的平行世界中 跟爸爸相會了 而他的兒子馬克 並不是說埃夫雷特真的不管他 而是給了他足夠的自由 他從小一直在做自己喜歡的事 後來成了一名搖滾歌手 其實到了今天 人類對量子力學的研究 可以說只是剛起步 平行世界理論也還不成熟 我們現在認爲平行世界 都是各自獨立的 但也許有一天 我們還能找到進入平行世界的大門