多重世界中的多重生活

如果你認為量子物理是普適的真理，那你就應該相信有平行宇宙。

是否只有在科幻小說中我們才能生活在平行的世界裡？如果一個原子可以同時出現在兩個地方，那麼你也能。

幾乎我所有的同事都知道它，但是卻幾乎沒有人這正讀過它。2007年為了慶祝其問世50周年，修·埃弗雷特（Hugh Everett）博士論文的手稿被刊登在了新書《多重世界解釋下的量子力學》中。我依然記得當我在伯克利研究生院後面的小書店裡找到這本書的時候是多麼的 興奮，一直到現在我都認為這是我讀過的寫得的最才華橫溢的書之一。 

當埃弗雷特在普林斯頓師從約翰·惠勒（John Wheeler）開始他的研究生學習的時候，量子力學已經在解釋原子方面取得了令人暈眩的成功，但是隱藏在其數學表達式背後的真正意義還備受爭議。當我在 普林斯頓做博士後的時候，我有幸和惠勒一起討論過量子力學，但是我卻未曾有機會見到埃弗雷特。 

量子力學認為宇宙的狀態不能用經典的位置和速度來描述，而是要用被稱為「波函數」的數學形式。按照薛丁格方程，波函數會以確定的方式隨時間演化，這被數學家稱為「唯一性」。儘管量子力學總被認為具有內在的隨機性和不確定性，但是波函數隨時間的演化卻不具有這些特點。 

真正棘手的問題是如何把波函數與我們的觀測相銜接。許多合理的波函數對應的卻是違反常理的情況，例如在同一時間既死又活處於疊加態的「薛丁格的貓」。 20世紀20年代，物理學家對此的解釋是，當有人去打開箱子一窺這隻貓的死活的時候，波函數就會隨機「坍縮」但會留下一個確定的非死即活的經典結果。雖然 這樣可以解釋觀測，但是卻讓量子力學顯得不完整，因為量子力學在數學上沒有指明觀測是由什麼組成的以及波函數何時會坍縮。 

埃弗雷特的理論陳述起來很簡單，但是它的結果卻是複雜的，包括由此產生的「平行宇宙」。概括起來講，埃弗雷特認為薛丁格方程在任何時候都成立。換句話 說，宇宙的波函數永遠不會坍縮。僅此而已，沒有提及平行宇宙或者是分裂的多重世界，它們只是這個理論的推論而非前提。他卓越不凡的地方就在於，這樣一個沒 有坍縮的量子理論仍然可以解釋觀測。但是他預言，描述宏觀世界的波函數會漸漸演化成一個描述多重世界疊加態的波函數，而觀測者主觀經歷這一分裂得到的僅僅 是有限的隨機性，其概率和使用波函數坍縮方法計算的結果一致。 

重要的科學發現一般會經歷三個階段：一開始它們會被完全忽略，然後它們會猛烈地反擊，最後則會變得熟視無睹。埃弗雷特的理論也不例外，它花了10年的時間才開始受到重視。但是這對於讓學術界覺醒的埃弗雷特來說已經太晚了。 

埃弗雷特無坍縮的理論目前還沒有進入第三階段，但是在20世紀70、80年代由於過於瘋狂而被廣泛忽視之後，它現在漸漸獲得了認同。在1999年一次 量子理論會議的非正式投票中，儘管有許多物理學家對此不置可否，但是這一理論的得票要遠高於其他的想法。我相信向上的趨勢是明顯的。 

為什麼會發生這樣的變化呢？我認為有幾個原因。來自宇宙學暴漲和弦理論對平行宇宙的預言增加了學術界對這一古怪想法的包容性。同時新的實驗顯示即使在較大的系統中也會出現量子疊加態。最後，退相干過程的發現解答了埃弗雷特理論中存在的關鍵問題。 

例如，如果這些平行宇宙存在，為什麼我們沒有察覺到呢？畢竟量子疊加效應不會僅僅局限在微觀世界中。同時，由於你也是由原子組成的，如果原子在疊加態中能同時出現在兩個地方，那麼你也應該可以。 

突破來自1970年迪特·澤赫（Dieter Zeh）的一篇開創性論文，他證明薛丁格方程自身具有一種「審查」機制。這一效應被稱為「退相干」，在此後的幾十年中沃奇克·祖瑞克（Wojciech Zurek）、澤赫以及其他人對此進行了仔細的研究。只有在與外界不發生作用的情況下，量子疊加態才是可觀測的。例如，一張量子撲克牌由於其不斷地與空氣 分子、光子以及其他粒子發生碰撞，摧毀了其自身的疊加態進而變得無法觀測，於是它要么正面朝上要麼背面朝上。退相干同時也解釋了宏觀物體為什麼具有如此特殊的狀態。 

 

在量子物理中引入隨機波函數坍縮是為了解釋我們為什麼能觀測到的概率以及為什麼宏觀物體不具有疊加態。在埃弗雷特提出一切都是隨機的以及退相干理論解 釋了為什麼我們不曾經歷疊加態之後，引入波函數坍縮就顯得不是那麼必要了。儘管在埃弗雷特的眼中波函數在技術上是永不坍縮的，但是退相干造成的結果看上去 卻就像是發生了坍縮。 

我覺得現在是時候更新那些依然把波函數坍縮作為量子力學基本假設的教科書了。做為計算手段波函數坍縮依然具有它的使用價值，但是為了避免混淆學生們應 該知道這也許並不是拓展薛丁格方程的基本方式。如果一本量子力學教科書的索引中沒有出現「埃弗雷特」和「退相干」，那麼我建議你還是另買一本更新的。 

50年後我們可以慶祝埃弗雷特的解釋依然和觀測相符，但是我們還必須面對另一個問題：它是科學還是哲學？其核心是平行宇宙自身並不是一個理論，而是某些理論的推論。對於一個可證偽的理論，我們不需要觀測和檢驗它的每一個預言——只要一個就夠了。 

由於愛因斯坦的廣義相對論成功地預言了許多我們觀測到的現象，因此即使我們無法觀測我們也會認真對待它所給出其他結果，例如黑洞的內部結構。類似地，量子力學成功的預言也使得科學家們嚴肅地看待它的其他預言，包括平行宇宙。 

此外，通過未來的實驗，埃弗雷特的理論也是可以證偽的。它認為，不管這個系統多大，你都不會觀測到波函數的坍縮。確實，在含有許多原子的系統中已經觀 測到了不坍縮的疊加態，例如碳-60分子。一些小組正在嘗試在含有10億億個甚至更多原子的系統中製造出量子疊加態，這些系統已經非常接近宏觀系統。與此 同時，全世界都在努力製造量子計算機，一旦成功它將可以以比普通計算機快指數式的速度來分解自然數，這相當於在埃弗雷特的平行宇宙中實施並行計算。 

因此埃弗雷特的理論是可檢驗的，而且到目前為止和觀測相符。但是你真的應該相信它嗎？當我思考自然界的最終屬性的時候，我發現從兩個角度來考察一個物 理理論非常有用。一個是以研究其數學結構的物理學家的外部眼光來看，另一個則是用一個身處其數學所描述的世界中的觀測者的內部視角來審視。前者好像是一隻 飛翔於高處的鳥兒可以縱覽全局，後者則像是被這之鳥看到的青蛙。 

從鳥的視野來看，埃弗雷特的宇宙是簡單的。那裡只有一個波函數，它隨著時間平滑而確定的演化，不存在分裂與平行。由這個波函數描述的抽象量子世界包含 了大量的經典平行宇宙，它們不斷地分裂、合併，同時其中也包含了大量缺乏經典描述的量子現象。從青蛙的角度來看，觀測者看到的僅僅是所有物理實在的一小部 分，它們把經典世界的分裂當成了量子世界的不確定性。 

那麼青蛙的視角和鳥的視野哪個更基本？換句話說，對於你而言哪個更基本：人類的語言還是數學的語言？如果你選擇前者，那麼你可能會青睞於量子力學的「多重世界」解釋，而量子力學為了使得波函數坍縮並且消除多重宇宙犧牲了其數學上的簡單性。 

但是如果你傾向於一個簡單而純粹的數學理論，那麼你——和我一樣——會在多重世界解釋上遇到麻煩。一般而言，要建立一個能預言所有可觀測現象的數學理論是極為困難的，量子理論也不例外。 

此外，由於演化所賦予我們的直覺僅僅來自我們的祖先對生存所必需的物理現象的認識，例如石頭飛行的軌跡，因此我們覺得量子力學是違反直覺的。 

你可以做出選擇。但是我擔心，如果我們由於它看上去古怪而忽視埃弗雷特的理論，那麼我們就有可能失去把我們的視野拓展到地平線以外的機會。20世紀20年代沙普利和柯蒂斯關於是否存在大量星系（當時的平行宇宙）的爭論現在依然具有啟示作用。 

埃弗雷特要我們知道我們的物理世界要比我們所能想像的還要大得多，比起50年前這樣一個建議在宇宙學取得巨大突破的今天可能更容易被接受。我們認為埃 弗雷特的唯一失誤就是他所處的年代。在下一個50年，我相信我們會更習慣我們的宇宙所擁有的這些古怪的特徵，甚至發現這些古怪的特點正是她迷人的所在。 

註：在這個宇宙中，作者Max Tegmark是美國麻省理工學院的一名物理學家。

來源：科學網