- 文／林祉均
从《瑞克与莫蒂》到最近的《妈的多重宇宙》和《奇异博士2：失控多重宇宙》，多重宇宙的浪漫概念一直是各种作品爱用的元素。主角穿越到其它平行宇宙中，遇见各种不同的可能性，实现未能完成的心愿。
可惜的是，现实中似乎没有这种好事情。眼睛所看到的世界就只有一个，一切就照着原本的剧本发生，没有穿越或是重来的机会。
不过，这些幻想作品的描述，其实并不如你所想的这麽天马行空。创作科幻作品所需要的想像力，对於科学家来说，其实也是重要的技能。打从二十世纪中期开始，正经的量子物理讨论中，便出现了「多重世界」的说法。
「多重世界」是对於量子现象许多诠释中的其中一种。实事求是的物理学家为什麽要诉诸这麽虚幻的说法呢？说到底，他们也是情非得已。这一切要从量子物理带给他们的难题说起。
在量子时代前，物理学家的世界
在量子时代之前，物理学家用来解释世间万物的方法是「古典力学」与「电磁学」。
- 「古典力学」是「牛顿运动定律」的进阶版，解释了「具有质量的粒子（物质）如何运动」
- 「电磁学」则是一切电磁波相关技术（你的手机讯号）的基础，解释了「不具质量的能量如何在空间中以波动传递」。
「古典力学」与「电磁学」把世间分成「粒子」与「波动」两种不同的问题来解释，彼此井水不犯洪水，分别「近乎完美地」解释所有日常生活中常见的现象，然而，有一个现象在深入研究之後，却出现了矛盾，这个现象就是双狭缝实验（Double-slit experiment）。
双狭缝实验的诡异之处
如果让光束通过一条狭缝，会在後方的屏幕映照出中间较亮，两侧较暗的图样。奇妙的是，如果将实验改成两条狭缝，屏幕上的图案并不会等於两个单狭缝的图案相加，而是会变成亮暗间隔的条纹。这种图案只能由波动产生，因为波峰和波谷会互相抵销，因此产生较暗的部分。
双狭缝实验成为了光是波动的证据，属於「电磁学」解释的范畴，後续的推导也证明了光是一种电磁波。
如果故事停在这里倒也还好，但後来却观测到「用电子或中子打入双狭缝，也会得到跟光进入双狭缝时类似的结果」。
这问题就有点大了，因为电子或中子这些粒子的运动，在双狭缝实验时必须要跟光一样，用波动才能解释，传统物理「粒子与波动」的二分法似乎失效了。
量子时代新概念——波函数（波包）
因应这些观察，物理学家开始用「波动力学」来解释双狭缝实验，也就是薛丁格方程式（Schrödinger equation）。
「波动力学」是将所有物体都当成是「一小段波动」，也就是波函数，并写下它如何随着时间演化。原本的粒子现在变成像是下图中一块一块的「波包」，在空间中随着薛丁格方程式移动。
这些「波包」成功解释了粒子如何在穿过双狭缝後互相干涉，形成亮暗条纹。但问题是，没有人看得到这些波函数（波包），在观测时，看到的只有一颗颗电子通过狭缝撞在屏幕上。
虽然薛丁格所提出的方程式与运算结果完全符合实验结果，但为什麽这样算是对的？波函数（波包）又代表什麽？却没有一个很好的解释。
波函数不是实体，而是物体的机率分布——哥本哈根诠释
为了解释这个问题，首先是由海森堡一夥人提出的「哥本哈根诠释」，他们认为：波函数代表的是物体出现位置的机率分布，而薛丁格方程式规范的是机率分布如何随时间改变。
当我们介入观察，波函数便会依照这个机率分布随机地塌缩至一个特定的值，这个值就是我们所观察到的物理量。
以双狭缝来说，穿过狭缝後的波函数产生了波动会有的干涉现象。後方的屏幕让波函数塌缩，因此出现了一个确切的光点。至於光点会出现在哪里，完全是机率性的，机率多寡由波函数主掌。在波峰和波谷抵销的地方，机率很小，几乎不会有光点出现；反之亦然。下图可以看到个别粒子的位置看似随机，但随着实验的粒子数增加，波函数的机率分布开始浮现。
编按：哥本哈根诠释认为，波函数涵盖了物体落到任何地方的所有可能性，且每个可能性都有一个机率值。而薛丁格方程式算的是每一种可能性的机率变化。
在多个相同物体重复经历相同的事件（例如电子不断进进入双狭缝），就会看见波函数控制物体运动过程的证据（屏幕上最後的图形）。
至於「单个物体」为什麽会移动到某个确定的位置，以及「单个物体」实际上是怎麽移动的，基本上是不可知的，一切都是波函数的决定，因此哥本哈根诠释就以「崩塌」，来代称其他可能性消失的情况。
对哥本哈根诠释的质疑
约一百年後的今天，这个诠释已经成为主流，但当时的学界中有一部份人并不买单。
一来是因为这个说法直接拥抱了机率性，物理世界完全交由波函数塌缩的随机过程来决定，我们能知道的只有波函数的样貌；二来则是「塌缩」这种语焉不详但又扮演中心角色的词汇，让人有一种硬凑答案的感觉。另外，人或是仪器作为观察者的角色为何如此重要，好像也说不清楚。
为了点出荒谬之处，薛丁格搬出了他举世闻名的猫咪。
由於原子的放射衰变也是由波函数描述，我们可以用放射性原子打造一种可以杀死猫咪的装置，然後把猫咪跟装置关在箱子里。随着时间过去，原子的状态处於衰变和未衰变的机率分布，因此猫咪也同样处於「死和活的机率分布」。直到观测者将箱子打开，才能将原子和猫咪的波函数塌缩。
这个实验和乐透开奖的情况本质上并不一样。虽然乐透好像也是机率问题，但是每个乐透号码球都是巨观的、可以被古典力学描述的物体。因此，早在开奖前，每个号码球的位置就都已经决定好了，只是没有人能够准确预测。
可是，原子衰变是量子的范畴。量子理论最初的发展，便是起源於光电效应和原子光谱这类小尺度世界，这些领域中的实验观察无法由古典力学概括，只能用波函数的机率来解释。
而薛丁格的目标就是将微小的量子物体（原子）和巨观的生物（猫咪）牵连在一起，试图说明由机率分布和塌缩主宰的物理世界有多麽让人不舒服。
在薛丁格方程式和哥本哈根学派交锋过後的几十年内，关於观察和塌缩究竟是怎麽一回事，仍有许多讨论。後续的许多研究，在哥本哈根的架构下，提出了修补的细节，许多人也就渐渐接受了机率性的塌缩这件事。
尔後，有另一批人马企图想出一种不需要机率塌缩的量子世界，其中包括不喜欢上帝丢骰子的爱因斯坦等人。他们认为粒子一直都有明确的位置与轨迹，只是其演化方式不如我们所想像，背後有不为人知的物理机制，而哥本哈根的世界观只是统计的结果，并不是完整的图像。
这类诠释统称为隐变数诠释（hidden variable theory），历史上有许多不同版本。不过在贝尔定理（Bell’s theorem）的相关实验後，局域性的隐变数理论几乎完全被排除。现今还站得住脚的隐变数理论，声称波函数像是电磁场一样布满整个空间，能够以特定方式引导粒子的运动轨迹。
- 延伸阅读（贝尔定理）：照出黑洞不算什麽，科学家连量子缠结都能拍到！？
全部的可能性都持续存在——多世界诠释
这些新理论尽管在某种程度上去掉了塌缩的成分，但听起来依然十分玄妙。在 1950 年代，有位美国物理学家艾弗雷特（Hugh Everett III）在他的博士论文中提出了全新的方案：
「大家都不要吵了，波函数中所有可能发生的机率，确实就是发生了，只是所有可能性以互不交错的世界线同时存在。」
以猫咪为例子，当你打开箱子时，并没有把猫咪的波函数塌缩到单一的死或活状态，而是将原本的世界线一分为二，当中分别有一个看到死猫的你和看到活猫的你。於是，波函数永远不需要塌缩到我们看到的单一状态。
换句话说，这种观点中没有所谓「非量子」的「观察者」来让波函数成为现实。世界上所有的原子、猫咪、人，都被涵盖在整个宇宙的波函数中。艾弗雷特原本的论文标题并没有提到多重世界，而是称之为全体波函数理论（Theory of the Universal Wavefunction）。波函数描述的不是观察的机率分布——波函数就是本体，根据薛丁格方程式演化出各个世界线。
或许是因为太过前卫，他的这篇论文发表时，几乎没有引起任何讨论，甚至没什麽人花时间质疑。艾弗雷特最终抱着遗憾离开学术界，跑去五角大厦工作。所幸他的想法在十几年後，终於在几位支持者的努力之下，以「多世界诠释（the many-worlds interpretation）」的名号发扬光大。
尽管一开始听起来很难接受，但是人们发现，这种诠释其实并不比原本的塌缩诠释荒唐。
它同样能够解释所有的实验现象，而且比起机率性的塌缩，总体波函数可以完全遵循方程式的预测，不需要引入量子世界外的观察者，来让波函数塌缩至单一状态。许多物理学家认为这是一套更简洁的思考方法。到今天，多世界诠释已经累积了不少声量和支持者。
寻找多重宇宙
那麽多重世界线真的存在吗？要找到答案恐怕不容易。如果艾弗雷特所言不假，也就是所有人和所有仪器都是总体波函数的一部份，那麽便没有人能立於一切之外，看见总体波函数中的所有可能，或是做实验来验证多重世界的存在。
不过，除了量子理论的研究者之外，还有一群人也十分认真看待多重宇宙的想法。在宇宙学中，有一理论预测我们的可观测宇宙只是颗小泡泡，身处许多其它的泡泡宇宙之中，也就是实际意义上的多重宇宙。这些宇宙不断地处於膨胀阶段，而这个理论被称为永恒暴胀（eternal inflation）。
相较於多世界作为量子力学的诠释，永恒暴胀是个科学理论，需要可以被验证。照理来说，任何来自其它宇宙泡泡的讯号都跑不赢膨胀的速度，永远无法抵达我们的可观测宇宙。不过在膨胀初期，泡泡之间的碰撞会在宇宙背景辐射的地景上留下温度足迹。大约十年前，科学家就在威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的观测资料中，找到了四个统计上显着的碰撞痕迹。
那我们怎麽还不出发前往其它宇宙呢？虽然在分析方法上是个振奋人心的尝试，但还需要补足更多观测资料才能做更好的判断。继 WMAP 後，普朗克卫星（Planck）也带回了解析度高三倍的背景辐射影像，但关於多重宇宙是否真的存在，依然没有定论。
结语
回顾历史，随着量子实验的结果浮上台面，不同的理论模型往往需要数十年来分出高下。双狭缝实验在 1801 年就已经完成，但多世界诠释的诞生是 150 年後的事。正如同二十世纪初的量子物理，膨胀理论和多重宇宙都是目前发展空间很大的领域。或许还要一段时间，我们才能见证这些科幻内容成为课本中的教材。
不论结果如何，总体波函数中无限分岔的可能性，以及膨胀中的多重泡泡宇宙，都展示了科学研究的迷人之处，那就是——科学和科幻文本都一同站在人类想像力的最前端。
