人生複本 - 讀後(1)

讀這本書,全因被圖書市場上的推薦吸引,充滿視覺衝擊力的封面,以及眾多名人,媒體的好評,都讓我對這本書充滿了好奇和期望。

今年最絢爛繽紛,讓人想一路衝到底的小說,結尾合情入理到難以置信的地步。──衛報

一場峰迴路轉、在平行世界穿梭的尋家之旅,一本懸疑又毫不故弄玄虛的驚悚小說,掀起超暢快又超現實的閱讀高潮。──紐約郵報

其實類似上面這種令人驚艷的推薦還有很多,打開書的扉頁後就能看到。可是,說實話我第一次讀完之後並沒有感覺到被故事情節吸引到夜不能寐,特別是開始的部分。或許是我曾經讀過的衛斯理系列實在是太經典太天馬行空,我對再離奇的情節都能夠接受。我感覺本書作者的「編劇」水平和倪匡還是有一定的差距。

但不得不說的是這本書的一大看點便是「它讓量子物理變得浪漫了」。書中所述的故事的確是有一點燒腦,初初讀起來真的是有一點不適應。具體情節我這裏就不「劇透」了,有興趣了解的話可以買來一讀。書中的故事有一個關鍵的主線,或者說「類科學根基」,那就是平行時空理論,這也是讀完後引起了我好奇心的部分。

平行時空(又稱多重宇宙,平行宇宙,多元宇宙)這個詞相信你一定聽過,但具體的科學依據是什麼,可能你就未必了解。平行時空聽上去很科幻,但其實這個概念並非是小說家所創造,而真的是科學家們根據各種科學論證,推理,觀測後得到的結論。關於平行時空,其實有很多不同的分支理論,例如開放宇宙理論,泡沫宇宙理論,大反彈理論,量子力學理論等等,網路上關於他們的相關解釋有很多,這裏就不再贅述。因為「人生複本」中的情節,恰好就是和「量子力學理論」相關,那我也就順其自然的了解了一下量子力學理論對於平行宇宙的解釋,沒想到越了解發現越挑戰我的認知。

燒腦的內容開始。

光的楊氏雙縫實驗

要談量子力學理論對於平行宇宙的解釋,我先必須帶出幾個物理現象。首先是「光的楊氏雙縫實驗(又稱雙縫干涉實驗)」。這個實驗相信你讀書的時候一定親手做過。用一個點光源,照射一塊開有兩道平行狹縫的遮擋物,在後方的接收螢幕上,会接收到穿過狹縫後的光線。

楊氏雙縫實驗 圖片源自互聯網
楊氏雙縫實驗 圖片源自互聯網

試想一下。假如現在不是用光做這個實驗,而是用一把散彈槍,對著這個有兩道平行狹縫的遮擋物噴射,不難想象,後方的接收螢幕會出現兩條和狹縫類似的平行彈痕,因為通過狹縫的子彈直線傳播,抵達後方的接收螢幕。然而光的楊氏雙縫實驗結果卻不是這樣,最終我們看到的不是兩條和狹縫類似的平行豎線,而是出現許多明暗不同的條紋。

出現這個現象的原因,是因為光具有波的特徵。當光通過狹縫時,類似在狹縫出口處產生了兩個新的光波。這兩個光波,會彼此發生干涉 ( Wave Interference ),當光波抵達接收螢幕時,兩個波峰疊加在一起的地方強度疊加,光線更亮;波峰波谷疊加在一起的地方,強度抵消,光線最暗。類似的原理當今也用在了主動降噪耳機上,因為聲波也是一種波,也會發生干涉現象,因此耳機可以通過採樣,計算,發出一個和环境噪音振幅相近,相位完全相反的聲波,從而利用干涉現象抵消環境噪音。

wave

單電子雙縫實驗

後來,隨著技術的進步,有了可以發射單獨電子的物理儀器,於是 Akira Tonomura 的團隊進行了新的實驗,他們使用單獨電子發射裝置,每次發射一個電子,確保每次最多只有一個電子通過雙狹縫(而不是類似激光那樣一次有一堆的電子穿過狹縫),再用裝置在後方接收電子,過程類似楊氏干涉實驗。

觀察發現,開始的時候每顆電子好像會隨機落在後方的接收螢幕上,但隨著不斷重複實驗,發現後方的接收螢幕上的新舊光點疊加起來慢慢出現了和楊氏干涉一模一樣的條紋。

double slit experiment
原始圖檔節選自 https://j.mp/3a8afvL

看到這你可能覺得「不就是干涉嗎」?

顛覆你認知事情即將發生。

呵呵。

上面電子的這個實驗,和楊氏干涉實驗的不同之處在於, Akira Tonomura 實驗的電子,是一個一個獨立打出去的。換句話說,每次最多只有一個電子通過雙狹縫(而不是類似激光那樣一次有一堆的電子穿過狹縫)。因此實驗的結論,就有些詭異。即:用一個電子來實驗,依然會發生干涉現象。這裏邊可大有文章。

  • 既然是「一個電子」,那麼它要麼從狹縫 A 通過,要麼從狹縫 B 通過,因此不會形成兩個波,干涉更無從說起,難道自己干涉自己?
  • 再者,從電子的大小來看,這兩個狹縫的距離可能比地球和太陽的距離還遙遠,那一個電子,如何知道遙遠的地方還有另一個狹縫?
  • 然後,我們知道最後產生的條紋形狀,是和兩條狹縫的距離直接相關,那一個電子,如何在一瞬間測量出了兩條狹縫的距離因而最終產生對應的干涉條紋?

沒錯,上面的這些疑問無法用經典物理學解釋,似乎唯一的可能性是「電子同時通過了兩個狹縫」。但說出這句話,似乎很可笑,一個電子,如何做到同時通過兩個狹縫?

為了搞清楚電子是否同時通過了兩個狹縫,有人提出可以在兩個狹縫安裝探測裝置,藉此「 測量」究竟哪個電子通過了哪個狹縫(量子擦除實驗 Quantum Eraser Experiment)。然而發現,一旦進行「 測量」,會發現電子只是通過了一個狹縫,但同時干涉現象也隨之神奇消失。

哥本哈根詮釋

上面說的「單電子雙縫實驗」的結果似乎超出了人們的認知。物理學者們不願接受這個結果,但也無法解釋原因。

上面說到,實驗結果似乎唯一的可能性是「電子同時通過了兩個狹縫」,於是有一些物理學家給出了某種意義上的解釋,即「哥本哈根詮釋」。這些解釋看文字可能非常「燒腦」,經過消化,我自己的理解如下:

  • 量子世界中,粒子不像我們宏觀世界中的物體有確定性,在量子世界中,粒子是不確定的,電子的運動沒有確定的軌跡,只要不進行「測量」,它就以概率波的形式存在,彌散在空間裏,「在又不在」,「有又沒有」,「既在這裏,又在那裏」,「色即是空,空即是色」,這種狀態稱之為「疊加態」;
  • 測量」是粒子改變狀態的關鍵;
  • 一旦進行「測量」,粒子就會發生「波函數坍塌」,粒子的「不確定性」隨即消失,立即進入其本徵態;

哥本哈根詮釋套用到「單電子雙縫實驗」中,在電子被發射後,它以概率波的形式傳播,因為其無處不在,所以同時穿過兩個狹縫,發生干涉,直到接觸到接收裝置的測量,發生「波函數坍塌」,轉化為本徵態,出現在接收裝置的某一點。

上面的這些理論,聽上去是不是覺得挑戰你的認知?是的,當時的物理學界,很多人(包括愛因斯坦大神)也都不是很 buy 這個聽上去腦洞大開,荒謬無比的理論。因此,根據「哥本哈根詮釋」的理論,物理學者埃爾溫·薛定諤提出了一個實驗構想,嘗試藉此反駁「哥本哈根詮釋」的荒謬性。那就是著名的「薛定諤的貓」(又稱薛丁格的貓) 實驗。

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為了避免本文篇幅過長,此文的下半部分,將繼續說說這個怪異的實驗。

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