量子力学（教学课件）：27

多世界《量子》历史之旅（六）
高山 　　有谁曾梦想过我们所生活的世界只是无数个世界中的一个，又有谁梦想过这些其他的世界就在我们的身边，它们与我们共有同样的时间和空间。然而，量子理论却似乎预言了这样一种多世界丛林的存在。　　　　20世纪保守最好的机密　　1957年，普林斯顿大学的研究生艾弗雷特三世公布了一个将令所有人为之震惊的新理论，它就是量子力学的多世界解释。后来的科学评论家称之为“20世纪保守最好的机密之一”1。　　　艾弗雷特三世（Hugh Everett III）毕业于美国天主教大学2化学工程专业。1950年代，他在普林斯顿大学攻读数学物理专业的博士研究生，导师是著名的物理学家惠勒。在研究生期间，艾弗雷特学习了冯诺依曼和玻姆的量子力学课本，并经常与其他同学就量子力学问题进行讨论。在他看来，“下述情况似乎是不真实的：一方面，应当有一种‘魔法式’的过程，在这个过程中发生某种剧烈变化（波函数坍缩）；而另一方面，在所有时间里又假设系统服从完全自然的连续定律。”3 经过长时间的独立思索，艾弗雷特逐渐形成了自己的看法，他认为正统解释中的波函数坍缩是不必要的观念，并重新给出了量子力学的相对态表述。　　　　艾弗雷特假设，所有孤立系统的演化都遵循薛定谔方程，波函数坍缩从不发生。但是，如果波函数不发生坍缩，为什么我们对具有不确定性（即处于叠加态）的量子系统的测量只能得到一个确定的结果呢？艾弗雷特意识到，另一个可能的出路在于：作为相互作用的结果，测量仪器与被测系统的状态之间发生关联，从而测量仪器的状态不再能够被独立地定义，而只能相对于被测系统的状态来定义，艾弗雷特称之为相对态。进一步地，当观察者对测量仪器进行读数时，他的状态也与测量仪器，进而与被测系统的状态关联起来。这三者形成了一个复合系统的整体，而根据薛定谔方程被测系统的不确定性将传递给整个复合系统，即它也处于叠加态。　　　　现在到了问题的最关键之点，艾弗雷特在此迈出了最大胆的一步。他认为，由于在复合系统的叠加态中，每一个成员态包含一个确定的观察者态、一个具有确定读数的测量仪器态，以及一个确定的被测系统态，因此，作为叠加态中的每一个成员态描述一个感知到一个确定结果的观察者，对于这个观察者被测系统的状态似乎已经被转换成对应的坍缩态。于是，对于每个由叠加态中的一个成员态所描述的观察者来说，波函数坍缩似乎已经在一个主观水平上发生，而他只感知到一个确定的结果。这的确是一个极其大胆而新颖的想法！　　
图6-1 艾弗雷特的导师惠勒    　　艾弗雷特将他的想法写成了一篇博士论文，他的导师惠勒对这一工作表示赞许，论文的预印本也从1956年初开始在一些物理学家中间传阅。1957年1月，在北卡罗莱纳大学举行的主题为“引力在物理学中的角色”的会议上，艾弗雷特宣读了他的论文，论文的简略版随后发表在《物理学评论》上。　　　　重见天日　　艾弗雷特的新解释公布之后，物理学界的反应是异常的冷淡。正统一派对此漠然置之，据说艾弗雷特曾经到哥本哈根去约见玻尔，但是遭到了完全的拒绝。此后，艾弗雷特解释在物理学界沉寂了十余年。直到1968年，量子引力理论的主要奠基者之一狄维特（Bryce S DeWitt）4才让这一解释重见天日。　　
图6-2 狄维特    　　 狄维特和他的学生格拉汉姆（N.Graham）在一系列文章中发展了艾弗雷特的理论，并给出了更为清晰的表述。他们认为，在测量过程中，由初始波函数描述的世界分裂为许多个相互不可观察但同样真实的世界分支，它们中的每一个都对应于整个系统叠加态中的一个确定的成员态。于是，在每个单独的世界分支中，一次测量只产生一个确定的结果，虽然各个世界分支中的结果并不相同。狄维特进一步强调，“在当前接受的形式体系框架内，它是唯一允许量子理论在宇宙学的基础中起作用的观念。”这样，艾弗雷特的相对态表述便以多世界解释的新名称开始广为人知。　　　　1973年，艾弗雷特应惠勒和狄维特的邀请，在德克萨斯州的奥斯汀大学作了一系列关于量子力学的演讲。艾弗雷特的演讲非常成功，他表述准确，充满热情，并极有预见力。在演讲总结中他宣称，“我们将被引向一个新的情况，其中上述理论（即多世界理论）是客观上连续的、因果的，而主观上是非连续的、几率的。”　　　　[后记]　　　　也许是由于对如此冷漠的学术界的失望，艾弗雷特在博士毕业后即离开了物理学领域。他先是作为美国五角大楼武器系统评估小组的一名防御分析家，后来成为了一名私营承包商，并由于事业的巨大成功而成为了千万富翁。1970年代后期，随着人们对多世界解释的兴趣不断增长，艾弗雷特准备重新回到物理学界，对量子理论中的测量问题进行更深入的研究。然而，不幸的是，他于1982年死于心脏病。　　　　去相干与超脑　　多世界解释的确是一个革命性的看法，它否定了一个单独的经典世界的存在，而认为实在是一种包含有很多世界的实在，它的演化是严格决定论的。然而，多世界解释仍然存在许多恼人的问题5，其中之一就是优选基问题，为什么我们只能感知到确定的经典世界，而没有感知到宏观物体的叠加态呢？　　　　1970年，海德伯格大学的泽（H.D.Zeh）发表了一篇重要文章，首次清晰地阐述了去相干（decoherence）理论。去相干是指系统波函数的各个分支之间的相干性被破坏。根据去相干理论，当系统与测量仪器和外界环境相互作用后，就会发生去相干过程，从而导致我们在实际中只能感知到彼此已无相干性的经典分支，而无法感知到具有相干性的量子叠加态。这样，去相干理论将可以FAPP地解决上述优选基问题6，从而成为了多世界解释中一个必不可少的组成部分。1980年代之后，去相干理论又被朱瑞克，泽以及其他人更深入地研究，并发展出了环境去相干等新观点，而大量新的量子实验也证实了去相干理论，如单原子的薛定谔猫实验等。　　
图6-3 德义奇    　　1985年，英国物理学家、量子计算理论的奠基人之一德义奇（D.Deutsch）又一个举起了多世界的大旗，并对多世界解释做出了进一步的澄清。德义奇首次指出了多世界解释与正统解释具有不同的实验预测，并提出一个大胆的超脑实验以检验孰是孰非。在这一实验中，人们首先制备一种具有量子记忆能力的超脑，然后观察超脑的不同记忆状态之间的干涉效应。如果多世界理论是正确的，那么将会观察到干涉现象，同时超脑也会在效果上感觉到自己的分裂和合并；而如果正统解释是正确的，将不会观察到干涉现象。　　　　此外，德义奇用数目不变的世界出现差别来代替世界不断分裂的说法。根据他的新表述，存在一些平行的完全的世界，它们在某种确定的意义上在相同的时间和空间中存在着，尤其是，它们与我们共享同样的时间和空间。不同的平行世界是通过它们作为一个公共的物理实体的一部分而关联在一起的，物理实在就是纠缠在一起的所有世界的集合。在理论上，多平行世界是与波函数的各个“坍缩”分支相联系的，当世界面临一种量子选择时，它就分裂成两个不同的世界7。　　　　然而，大多数物理学家仍表示怀疑，是否有必要采取如此“歪曲”我们感觉的极端措施来解决量子理论的逻辑困难呢？把目前的薛定谔方程绝对化是完全合理的吗？为什么不对它进行可能的扩展呢？　　　　插曲：解救薛定谔猫8　　有一个称为薛定谔猫的著名理想实验。一只猫被置于一个密封的盒子中，有一杆枪瞄准着猫，如果一颗放射性核子衰变就开枪。发生此事的概率为百分之五十。　　　　如果人们开启盒子，就会发现该猫非死即生。但是在此之前，猫的量子态应是死猫状态与活猫状态的混合。有些科学哲学家觉得这很难接受，他们断言，正如没人处于半怀孕状态一样，猫不能一半被杀死另一半没被杀死。使他们为难的原因在于，他们隐含地利用了实在的一个经典概念，即一个对象只能有一个单独的确定的历史。量子力学的全部要点在于，它对实在有不同的观点，根据这种观点，一个对象不仅有单独的历史，而且有所有可能的历史。在大多数情形下，具有特定历史的概率会和具有稍微不同历史的概率相抵消，但是在一定情形下，邻近历史的概率会相互加强。我们正是从这些相互加强的历史中的一个观察到该对象的历史的。　　在薛定谔猫的情形，存在两种被加强的历史，猫在一种历史中被杀死，在另一种历史中仍然存活，两种可能性可以在量子理论中共存。因为有些哲学家隐含地假定猫只能有一个历史，所以他们就陷入了一个死结而无法自拔。　　　　多世界的信徒们　　1988年，政治学者鲍伯（L. D. Raub）对72位宇宙学家和量子物理学家进行了一次关于多世界解释的调查，结果如下： 对多世界解释的看法 比例数  是的，我认为多世界解释是正确的 58%  不，我不同意多世界解释 18%  可能它是正确的，但现在我并不确信 13%  我不知道 11%  表1 1988年关于多世界解释的看法调查
图6-4 多世界迷霍金    　　多世界解释在弦理论家、量子引力和量子宇宙学家中最受欢迎，相信它的著名物理学家有霍金、费曼、盖尔曼和温伯格等，其中后三位都是诺贝尔物理学奖获得者。坚决反对多世界解释的物理学家以彭罗斯为首，他们在科学界的其他领域中为数众多。霍金是众所周知的多世界迷，费曼一直强调坍缩过程只能通过薛定谔方程来说明。温伯格则断言，“最终的途径是将薛定谔方程认真地当作是对测量过程的描述……我更喜欢这种最终步骤。”9 在《夸克与美洲豹》一书中，他将自己描述成了多世界解释的信徒。　　　　1997年8月，在美国马里兰大学（UMBC）举行的量子力学讨论会上，物理学家们对他们所认可的量子力学解释进行了投票表决，下表是投票结果： 量子力学的解释 投票数  哥本哈根解释 13  多世界解释 8  隐变量解释 4  一致历史 4  修正的量子动力学（GRW等） 1  其他解释（包括未决定者） 18  表2 1997年量子力学解释排名 　　1999年7月，在剑桥的牛顿研究所举行了一次关于量子计算的会议，其间人们对量子力学解释再一次进行了投票表决，结果如下： 量子力学的解释 投票数  多世界解释 30  哥本哈根解释 4  修正的量子动力学（GRW等） 4  隐变量解释 2  其他解释（包括未决定者） 50  表3 1999年量子力学解释排名 　　2001年2月，惠勒和泰格马克（Max Tegmark）在《科学美国人》上发表了一篇纪念量子发现一百周年的文章。在这篇文章中，他们认为，去相干理论和最新的实验表明，多世界解释已经取代了正统的哥本哈根解释，而成为了大多数物理学家都认可的量子力学的新的正统解释。然而惠勒也承认，一个基本的问题仍然存在，即量子力学能否通过一个更深层的原理来解释？或者说，为什么存在量子？　　　　[评论]　　　　很多物理学家认为多世界解释是目前最好的解释，这并不是因为它就是正确的解释，而是因为他们确信正统的哥本哈根解释已成昔日黄花，但是手头又没有更好的解释来替代它。由于人们至今尚未发现波函数坍缩过程的真实物理起源，也未能建立一种自恰的理论来描述这一过程，于是，大多数人便采取了最偷懒的方法---否认坍缩过程的存在，这便导致了多世界解释在正统观点衰落之后大受欢迎。然而，多世界解释本身所固有的缺陷已注定了它的失败，它只是绝望的人们所能抓到的最近的一根救命稻草。　　　　插曲：勇敢者的游戏　　为了证实多世界理论的正确性，一位勇敢的多世界信徒亲自进行了一个被称为量子自杀的实验10。然而，可惜的是，他却永远无法将他的发现告诉我们。　　　　实验的主要仪器是一台量子枪，它的扳机由处于量子叠加态，如自旋叠加态 |上>+|下> 的粒子的测量结果控制。如果测量结果是“上”，则枪射出一个子弹，如果测量结果是“下”，则子弹不被射出，而只是发出一声“咔嚓”声。现在，勇敢的实验者将量子枪对准自己。　　　　根据多世界解释，在一次实验之后，世界将分裂成两个，其中一个分支中实验者仍然活着，而另一个分支中实验者已经死亡。然后，在实验者仍然活着的世界分支中，这个实验者继续进行实验，之后，这个世界分支又将分裂成两个，其中一个分支中实验者仍然活着，而另一个分支中实验者已经死亡。实验可以依此不断进行下去，很明显，总存在一个世界分支，在其中实验者仍然活着，并且他可以听到扣动扳机的接连不断的“咔嚓”声。于是，这个实验者将确信多世界解释是正确的，而其他解释都是错误的。　　
图6-5 如果存在多世界    　　当然，在最后的量子叠加态中，实验者于其中存活的那个世界分支只占很小的一部分，例如，如果进行了N次实验，这个分支所占的比例就只为1/2N。于是，具有讽刺意味的是，在我们所在的更可能的世界分支中11，勇敢的实验者已经死去，他因此也就无法将他的发现告诉我们，更无法说服我们多世界解释是对的。　　　　一个美丽的谎言　　如果说正统观点只是伟人的呓语，那么多世界解释则是一个美丽的谎言。正如贝尔所言，“人们相信多世界，是因为他们并未看清它，而一旦看清楚了，它也就不存在了。”　　　　在多世界解释中，波函数被直接看做是一种勿需任何解释的物理实体12。因此，不论多世界解释是否优越，也不论它是否已为大多数物理学家所认可，多世界解释都没有为波函数这一数学实体及其演化规律---薛定谔方程提供进一步的物理解释，同时，它也没有为隐藏在波函数背后的神秘的量子实在提供一幅清晰的物理图象。　　　　此外，正如正统解释不能告诉我们波函数为什么，以及何时发生坍缩一样，多世界解释也不能告诉我们宇宙为什么，以及何时发生分裂。多世界解释认为，当发生一次测量时，宇宙就分裂一次，或者说，不同的宇宙分支才出现差别13，但是对于什么是一次测量它却说不清楚，而如果不能精确定义和描述测量，这一解释仍然是没有意义的。20世纪80年代以来，人们进行了各种努力来完善多世界解释，如提出去相干历史方法、一致历史方法等，但是这些努力的最终结果仍然是不能令人满意的，它们所完成的仍然是贝尔意义上的FAPP（为了一切实用的目的）。这些理论只能减弱多世界解释的暂时伤痛，并不能从根本上治愈它的测量顽疾。说到底，人们最终仍然逃不过去描述测量过程，即描述从量子到经典的转变过程，而多世界只不过是用宇宙分裂来代替波函数坍缩，它仍未解决（测量）问题。　　　　测量究竟是在什么时候发生的呢？又是如何发生的呢？所有解释都无法逃避这个问题。它是在粒子通过双缝时就发生了呢？还是在粒子于屏幕上打出一个亮点时发生的呢？抑或是直到观察者意识到亮点的存在时才发生呢？你必须回答！而一旦发现答案，你也就解决了至今仍困扰人类的量子谜题。要知道，它已难倒了20世纪的所有伟大人物。　　　　今天，很多物理学家仍然被困在令人迷幻的多世界丛林中，他们自以为找到了真正的量子，并确信只有在那里才能更深入地探查我们的宇宙。然而，清醒的人们已经绕过了这片丛林，他们终于踏上了通往量子实在的统一之路。注：　　1、科学史家雅墨（M.Jammer）在他那本著名的书《量子力学的哲学》中引述了这句评论。　　2、Catholic University of America。　　3、摘自艾弗雷特1972年9月19日致雅墨的信。　　4、狄维特曾是1957年“引力在物理学中的角色”会议的组织者之一，后来任教于德克萨斯州的奥斯汀大学，现已退休。　　5、关于这些问题的详细论述请参见文献[18]。　　6、FAPP是英文For All Practical Purpose的缩写，意识为‘为了一切实用的目的’。这个词是贝尔为了批驳多世界解释而发明的。　　7、请参见《原子中的幽灵》中德义奇的论述。　　8、这一节是从《霍金讲演录》中摘录的多世界迷霍金关于薛定谔猫佯缪的解释，以此作为用多世界理论来解释量子佯缪的一个典型范例。　　9、请参见《科学美国人》1994年10月号。　　10、这一量子自杀实验由泰格马克于1998年提出并讨论，它可以说是薛定谔猫实验的真人版。　　11、然而，按照目前的认识，人类却生活在一个非常不可能的世界分支中，其他世界分支中要么没有人，要么人类以其他方式存在和生活。但是，为什么在人类出现以后我们现在所处的分支（其中出现了核武器和互联网）的比例最大呢？这尚未得到解释。　　12、多世界解释的提出者艾弗雷特在他的原始文章中写道，“the wave function is taken as the basic physical entity with no a priori interpretation。”　　13、这种差别具有可测量的物理效应。相对于观察者而言，“没有差别”意味着粒子仍处于叠加的量子态，而“产生差别”则意味着粒子已处于确定的经典态，这种差别的产生正对应于坍缩过程的完成。因此，整个宇宙的分裂实际上是一种强烈的非定域性作用，从而在多世界解释中仍然存在量子非定域性，只不过是以一种更模糊的形式存在而已。