分裂宇宙

編譯 喬琦

美國(guó)加州理工學(xué)院理論物理學(xué)家肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）在他的新書(shū)《隱匿深處之物：量子世界與時(shí)空的出現(xiàn)》中說(shuō)：休·埃弗雷特早在20世紀(jì)50年代就用他的多世界理論顛覆了量子力學(xué)，而物理學(xué)現(xiàn)在才開(kāi)始迎頭趕上。

物理學(xué)史上最激進(jìn)且最重要的概念之一來(lái)自一位只寫(xiě)過(guò)一篇論文、名不見(jiàn)經(jīng)傳的研究生。他與自己的導(dǎo)師以及大西洋彼岸的物理學(xué)家陷入了爭(zhēng)論，畢業(yè)后就離開(kāi)了學(xué)術(shù)圈，甚至都沒(méi)有遞交應(yīng)聘教授的申請(qǐng)。這位研究生就是休·埃弗雷特（Hugh Everett），他的故事是構(gòu)成量子力學(xué)這門(mén)基礎(chǔ)物理學(xué)理論驚人歷史的諸多有趣軼事的一部分。

埃弗雷特的工作起始于20世紀(jì)50年代的普林斯頓，導(dǎo)師則是約翰·惠勒（John Archibald Wheeler），而惠勒的導(dǎo)師則是量子力學(xué)教父尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）。在埃弗雷特入行20多年前，玻爾和他的同胞就已經(jīng)建立了我們今天熟知的量子理論的“哥本哈根解釋”。這個(gè)解釋從來(lái)都不令人滿(mǎn)意，但玻爾的個(gè)人魅力以及科學(xué)家對(duì)理解原子和粒子有趣性質(zhì)的渴望很快就讓哥本哈根解釋成了正兒八經(jīng)的物理學(xué)家理解量子理論的唯一方式。

在哥本哈根解釋中，我們必須區(qū)分微觀(guān)量子系統(tǒng)和宏觀(guān)觀(guān)測(cè)者。量子系統(tǒng)的存在形式是各種可能出現(xiàn)的測(cè)量結(jié)果的疊加態(tài)，稱(chēng)為“波函數(shù)”。例如，一個(gè)自旋的電子就有一個(gè)描述“自旋向上”和“自旋向下”疊加態(tài)的波函數(shù)。這不僅意味著我們不知道電子的自旋狀態(tài)，還意味著電子的自旋值在未經(jīng)測(cè)量前根本就不存在。相較之下，宏觀(guān)觀(guān)測(cè)者則遵循我們熟悉的經(jīng)典物理學(xué)的所有規(guī)則。觀(guān)測(cè)者測(cè)量量子系統(tǒng)的那一刻，這個(gè)系統(tǒng)的波函數(shù)就會(huì)毫無(wú)征兆地突然坍縮，留下某種確定的自旋狀態(tài)或者其他什么需要測(cè)量的結(jié)果。

因此，量子系統(tǒng)的演化顯然有兩種截然不同的方式。我們不觀(guān)測(cè)的時(shí)候，量子系統(tǒng)的波函數(shù)根據(jù)埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）在1926年寫(xiě)下的薛定諤方程平穩(wěn)地變化。但是，當(dāng)我們展開(kāi)觀(guān)測(cè)的時(shí)候，波函數(shù)就以一種完全不同的方式演化，迅速坍縮成某種特定的結(jié)果。

對(duì)這種解釋不滿(mǎn)意？很多人的感受和你一樣。測(cè)量的含義究竟是什么？是什么讓觀(guān)測(cè)者如此特殊？既然我是由無(wú)數(shù)遵循量子力學(xué)規(guī)則的原子構(gòu)成的，那我不也應(yīng)該遵循這樣的規(guī)則嗎？盡管有如此多的疑問(wèn)，哥本哈根解釋還是被奉為解釋量子理論的最佳方法，并且到了20世紀(jì)50年代的時(shí)候，要是有人質(zhì)疑這一點(diǎn)，大家就會(huì)覺(jué)得他多少有點(diǎn)不禮貌。

不過(guò)，這并沒(méi)有讓埃弗雷特感到煩惱。他那頗具遠(yuǎn)見(jiàn)的想法，也就是人們現(xiàn)在熟知的量子力學(xué)的多世界詮釋?zhuān)鹪从?954年深夜他與年輕物理學(xué)家查爾斯·米斯納（Charles Misner，也是惠勒的學(xué)生）和奧格·彼得森（Aage Peterson，玻爾的助手，從哥本哈根來(lái)訪(fǎng)）的一場(chǎng)討論。當(dāng)事人后來(lái)回憶起這件事的時(shí)候，都說(shuō)他們?nèi)水?dāng)時(shí)喝了不少雪莉酒。

當(dāng)時(shí)，埃弗雷特已經(jīng)開(kāi)始在惠勒的指導(dǎo)下開(kāi)始思考量子宇宙學(xué)的問(wèn)題了。所謂量子宇宙學(xué)，就是把整個(gè)宇宙當(dāng)成一個(gè)量子系統(tǒng)來(lái)研究。埃弗雷特推斷，很明顯，如果要從量子角度討論宇宙，那就不可能開(kāi)拓出一個(gè)獨(dú)立的經(jīng)典領(lǐng)域。宇宙的每一部分都必須根據(jù)量子力學(xué)的規(guī)則來(lái)處理，包括身處其中的觀(guān)測(cè)者。這樣一來(lái)，整個(gè)宇宙就只有一種量子態(tài)，描述它的則是埃弗雷特所說(shuō)的“宇宙波函數(shù)”。

如果一切都是量子，并且宇宙由一個(gè)波函數(shù)來(lái)描述，那么測(cè)量是怎么發(fā)生的呢？埃弗雷特推理說(shuō)，一定是這樣的：宇宙的一部分以某些恰當(dāng)?shù)姆绞胶土硪徊糠之a(chǎn)生了相互作用。他還注意到，在宇宙波函數(shù)按照薛定諤方程演化的過(guò)程中，一定會(huì)自動(dòng)發(fā)生某些事情。我們根本不用引入任何有關(guān)測(cè)量的特殊規(guī)則，一切都在時(shí)刻發(fā)生碰撞。

想象我們現(xiàn)在有一個(gè)電子，它處于某種自旋向上和向下的疊加態(tài)。我們還有一個(gè)測(cè)量裝置，按照埃弗雷特的說(shuō)法，這個(gè)裝置本身就是一個(gè)量子系統(tǒng)。繼續(xù)我們的想象，這個(gè)測(cè)量裝置可能處于三種不同狀態(tài)的疊加態(tài)：其一，它可能測(cè)量出電子的狀態(tài)為自旋向上；其二，它可能測(cè)量出電子的狀態(tài)為自旋向下；其三，它可能根本就還沒(méi)測(cè)量電子的自旋，我們稱(chēng)其為“準(zhǔn)備就緒”狀態(tài)。

測(cè)量裝置執(zhí)行了自己的任務(wù)，這個(gè)事實(shí)會(huì)告訴我們“自旋+裝置”這個(gè)總系統(tǒng)的量子態(tài)按照薛定諤方程演化的方式。也就是說(shuō)，如果一開(kāi)始的時(shí)候，我們的測(cè)量裝置處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，而電子處于完全自旋向上的狀態(tài)，我們就可以保證測(cè)量裝置最后會(huì)演化成測(cè)量到電子自旋向上的狀態(tài)，如下圖：

中間箭頭左側(cè)的初始狀態(tài)可以理解成“電子處于自旋向上狀態(tài)，并且測(cè)量裝置處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)”。而在中間箭頭右側(cè)，裝置內(nèi)的指針指向了向上的小箭頭，這就意味著電子處于自旋向上狀態(tài)，并且測(cè)量裝置已經(jīng)測(cè)得它為自旋向上狀態(tài)”。

類(lèi)似地，如果測(cè)量裝置成功地測(cè)出電子自旋向下，那就意味著這個(gè)裝置一定從“準(zhǔn)備就緒狀態(tài)”演化到了“測(cè)出自旋向下?tīng)顟B(tài)”，如下圖：

而我們想做的，當(dāng)然是弄明白當(dāng)電子初始自旋既非完全向上，也非完全向下，也即處于兩者之間的某種疊加態(tài)時(shí)，究竟會(huì)發(fā)生什么。好消息是我們已經(jīng)知道了究明此事所需的一切。量子力學(xué)的規(guī)則很明確：如果你知道系統(tǒng)分別從兩種不同狀態(tài)開(kāi)始是怎么演化的，那么從兩者之間疊加態(tài)開(kāi)始的演化結(jié)果一定也會(huì)是上述兩種狀態(tài)分別演化的結(jié)果的疊加態(tài)。換句話(huà)說(shuō)，從自旋處于某種疊加態(tài)的電子以及處于準(zhǔn)備就緒態(tài)的測(cè)量裝置開(kāi)始，我們就有：

現(xiàn)在的最終狀態(tài)就是一種糾纏疊加態(tài)：電子自旋向上且裝置測(cè)得自旋向上，加上電子自旋向下且裝置測(cè)得自旋向下。如果我們完全按照薛定諤方程來(lái)推導(dǎo)，那么這就是描述“自旋+裝置”這個(gè)總系統(tǒng)的清晰、明確的最終波函數(shù)。這樣，世界就“分化”成了兩種可能狀態(tài)的疊加。

埃弗雷特的洞見(jiàn)既睿智又簡(jiǎn)潔：接受薛定諤方程。最后這個(gè)疊加態(tài)的兩個(gè)部分都真實(shí)存在。但是，它們不會(huì)發(fā)生相互作用。在一個(gè)分支上發(fā)生的事對(duì)另一個(gè)分支不會(huì)造成任何影響。因此，我們應(yīng)該把它們視為同等真實(shí)的分立世界。

這就是埃弗雷特量子力學(xué)的核心奧秘。我們不需要特意引入多個(gè)世界。實(shí)際上，它們始終存在，而薛定諤方程會(huì)不可避免地把它們帶到我們的生活中。問(wèn)題在于，我們?cè)谧约旱慕?jīng)驗(yàn)世界中似乎從來(lái)沒(méi)有見(jiàn)過(guò)涉及宏觀(guān)物體的疊加態(tài)。

傳統(tǒng)的補(bǔ)救方法是用這樣或那樣的方法擺弄量子力學(xué)的基礎(chǔ)規(guī)則。哥本哈根解釋采用的方法是：首先，不允許把測(cè)量裝置當(dāng)作量子系統(tǒng)處理；其次，把波函數(shù)坍縮看作量子態(tài)演化的一種獨(dú)立方式。正如埃弗雷特后來(lái)指出的：“哥本哈根解釋完全無(wú)法自圓其說(shuō)，因?yàn)樗忍炀鸵蕾?lài)于經(jīng)典物理學(xué)……以及宏觀(guān)世界的“現(xiàn)實(shí)”概念這個(gè)哲學(xué)怪物，并且還否定了微觀(guān)世界中的同等概念。”

量子力學(xué)的多世界詮釋一勞永逸地解決了測(cè)量過(guò)程和波函數(shù)坍縮過(guò)程中的所有謎題。我們不需要引入針對(duì)觀(guān)測(cè)的特殊規(guī)則：發(fā)生的一切都是波函數(shù)按照薛定諤方程持續(xù)不斷地穩(wěn)定演化的結(jié)果。此外，這個(gè)理論對(duì)“測(cè)量”和“觀(guān)測(cè)者”的構(gòu)成也沒(méi)有特殊要求——任何導(dǎo)致量子系統(tǒng)和環(huán)境產(chǎn)生糾纏的相互作用都是測(cè)量，都會(huì)產(chǎn)生通往分世界的分支，而觀(guān)測(cè)者就是帶來(lái)這種相互作用的系統(tǒng)。尤其需要指出的是，意識(shí)和這種相互作用毫無(wú)關(guān)系。這個(gè)“觀(guān)測(cè)者”可以是一條蚯蚓、一架顯微鏡，也可以是一塊巖石。按照多世界詮釋?zhuān)暧^(guān)系統(tǒng)也沒(méi)有任何特殊之處，除了這些系統(tǒng)會(huì)“情不自禁”地發(fā)生相互作用并且和環(huán)境發(fā)生糾纏。我們?yōu)槎嗍澜缭忈屵@個(gè)如此強(qiáng)大且簡(jiǎn)單的量子力學(xué)統(tǒng)一理論付出的代價(jià)就是海量的分世界。

對(duì)當(dāng)時(shí)的埃弗雷特來(lái)說(shuō)，困難之處在于無(wú)法讓別人接受他的這些觀(guān)點(diǎn)，其中包括他的導(dǎo)師。從個(gè)人角度來(lái)說(shuō)，惠勒非常支持埃弗雷特，但他也很尊敬自己的導(dǎo)師玻爾，并且確信哥本哈根解釋的基礎(chǔ)是完善的。他既想讓大家都知道埃弗雷特的觀(guān)點(diǎn)，又想確保它們不會(huì)以直接攻擊玻爾量子力學(xué)思想的方式呈現(xiàn)。

然而，埃弗雷特的理論本來(lái)就是對(duì)玻爾思想的直接攻擊。埃弗雷特自己也知道這點(diǎn)，還很喜歡用生動(dòng)的語(yǔ)言繪聲繪色地描述這種攻擊。在論文的初期草稿中，他用了一個(gè)變形蟲(chóng)的類(lèi)比來(lái)說(shuō)明波函數(shù)的分化：

想象現(xiàn)在有一條記性不錯(cuò)的聰明變形蟲(chóng)。它無(wú)時(shí)無(wú)刻不在分裂，每一次分裂產(chǎn)生的子變形蟲(chóng)都會(huì)擁有與分裂前母變形蟲(chóng)相同的記憶。這樣一來(lái)，我們的變形蟲(chóng)擁有的就不是一條生命線(xiàn)，而是一棵生命樹(shù)。

1956年，在埃弗雷特給論文收尾的時(shí)候，惠勒造訪(fǎng)了哥本哈根，并且將這個(gè)新理論提交給了玻爾和他的同事（其中包括彼得森）。不管怎么說(shuō)，惠勒此時(shí)還是努力想讓大家了解埃弗雷特的這個(gè)理論，哪怕在這個(gè)時(shí)候，持“波函數(shù)就是坍縮了，不要問(wèn)具體是怎么坍縮的”這種觀(guān)點(diǎn)的量子理論流派已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位，并且其支持者在面對(duì)這么多可以開(kāi)展的有趣應(yīng)用工作的情況下根本沒(méi)興趣反思該理論的基礎(chǔ)是否有缺陷。惠勒、埃弗雷特和彼得森三人之間的信件在大西洋上空來(lái)回飛舞，這種狀況一直持續(xù)到惠勒返回普林斯頓并幫助埃弗雷特完成論文終稿。最后的論文省略了許多埃弗雷特最初想寫(xiě)的有趣部分——其中包括從概率論和信息論角度開(kāi)展的檢驗(yàn)以及對(duì)量子測(cè)量問(wèn)題的審視——只是專(zhuān)注于討論多世界詮釋在量子宇宙學(xué)中的應(yīng)用。（最后的論文里也沒(méi)有出現(xiàn)變形蟲(chóng)，但埃弗雷特還是成功地在惠勒不注意的時(shí)候把“分裂”這個(gè)詞添進(jìn)了補(bǔ)充的腳注里。）

然而，埃弗雷特在論文完成后決定不再繼續(xù)自己的學(xué)術(shù)生涯。在拿到博士學(xué)位前，他接受了一份美國(guó)國(guó)防部武器系統(tǒng)評(píng)估小組的工作，負(fù)責(zé)研究核武器的效果。此后，他還做了策略論、博弈論以及優(yōu)化理論等領(lǐng)域的研究，并且在幾家新公司的建立過(guò)程中發(fā)揮了作用。我們至今也不知道埃弗雷特毅然決然地決定離開(kāi)學(xué)術(shù)圈，連當(dāng)教授的申請(qǐng)都沒(méi)有遞交，究竟是因?yàn)樗砸暽醺叩男吕碚撛庥隽藙×遗u(píng)，還是只是因?yàn)閷?duì)整個(gè)學(xué)術(shù)圈都失去了耐心。

不過(guò)，即便埃弗雷特再也沒(méi)有發(fā)表量子力學(xué)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)論文，他也仍舊保持了對(duì)這門(mén)學(xué)科的興趣。在他完成博士學(xué)位并準(zhǔn)備為五角大樓工作時(shí)，惠勒勸說(shuō)他自己去一趟哥本哈根，與玻爾等人進(jìn)行深入交流。這次訪(fǎng)問(wèn)并不順利，埃弗雷特事后評(píng)價(jià)說(shuō)：“這次訪(fǎng)問(wèn)一開(kāi)始就注定失敗。”

發(fā)表埃弗雷特多世界詮釋理論的期刊編輯、美國(guó)物理學(xué)家布萊斯·德維特（Bryce DeWitt）曾寫(xiě)信給埃弗雷特抱怨說(shuō)，現(xiàn)實(shí)世界顯然不可能“分化”，畢竟我們從來(lái)沒(méi)經(jīng)歷過(guò)這樣的事。埃弗雷特用當(dāng)初哥白尼同樣大膽的觀(guān)點(diǎn)“地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，而非太陽(yáng)繞著地球轉(zhuǎn)”的例子反駁：“我忍不住要問(wèn)，你感受到地球的運(yùn)動(dòng)了嗎？”德維特?zé)o法反駁，只好承認(rèn)這是個(gè)相當(dāng)漂亮的回答。

在仔細(xì)思索之后，德維特在1970年時(shí)已經(jīng)堅(jiān)定地支持起了埃弗雷特的理論。為了推廣這個(gè)理論，德維特付出了巨大努力，最終大大提高了多世界詮釋在公眾中的知名度，使其擺脫了默默無(wú)聞的境地。德維特的推廣策略中有一項(xiàng)是在1970年的《今日物理》（Physics Today）上發(fā)表了一篇頗有影響力的文章，隨后又在1973年出版了一本論文集，收錄了埃弗雷特那篇論文的最終版以及諸多對(duì)多世界詮釋理論的評(píng)論。這本論文集的書(shū)名就叫作《量子力學(xué)的多世界詮釋》（The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics），一個(gè)流傳至今的生動(dòng)名字。

1976年，惠勒從普林斯頓退休了，然后接手了德克薩斯大學(xué)的一個(gè)職位，德維特當(dāng)時(shí)也在那里任職。1977年，他們兩人一道組織了一個(gè)關(guān)于多世界詮釋理論的研討會(huì)，惠勒還說(shuō)服埃弗雷特從國(guó)防工作中抽出時(shí)間前來(lái)參加。這次研討會(huì)大獲成功，埃弗雷特也給在場(chǎng)的諸多物理學(xué)家留下了深刻印象。

1982年，埃弗雷特因突發(fā)心臟病不幸離世，享年51歲。他的生活方式很不健康，暴飲暴食、抽煙酗酒。埃弗雷特的兒子馬克·埃弗雷特（Mark Oliver Everett，后來(lái)組建了鰻魚(yú)樂(lè)隊(duì)）說(shuō)，一開(kāi)始，他對(duì)父親這種不愛(ài)惜身體的生活方式感到相當(dāng)不安。不過(guò)，他后來(lái)改變了看法：

我意識(shí)到，父親的生活方式有一定價(jià)值，就隨他去了。他愛(ài)吃就吃，愛(ài)喝就喝，愛(ài)抽煙就抽煙，然后有一天，他突然就那么去世了。和我見(jiàn)到過(guò)的其他一些生活方式相比，盡情享受然后不受折磨地迅速死去這種告別人世的方式也不算太過(guò)痛苦。

然而，物理學(xué)沒(méi)有忘記埃弗雷特。如果說(shuō)埃弗雷特生前身后有什么不同的話(huà)，那就是他的理論在他去世后更引人矚目了。埃弗雷特理解量子宇宙學(xué)的嘗試超前于他生活的那個(gè)時(shí)代，但現(xiàn)代物理學(xué)已經(jīng)在調(diào)和引力理論與量子理論方面做出了緩慢但穩(wěn)定的進(jìn)步。另外，埃弗雷特有一點(diǎn)肯定是對(duì)的：一旦我們以整個(gè)宇宙為研究對(duì)象，就完全沒(méi)有必要給古典觀(guān)測(cè)者預(yù)留特殊位置。

我在自己的研究中甚至更進(jìn)一步地提出：物理學(xué)家采用經(jīng)典理論（比如阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論）研究量子引力并且將其“量子化”的傳統(tǒng)策略，阻礙了我們對(duì)量子引力理論的探尋。或許，大自然的運(yùn)作方式本就不是那樣，它從一開(kāi)始就是量子。那么，恰恰相反，我們應(yīng)該做的是從純粹的量子波函數(shù)出發(fā)，問(wèn)問(wèn)是否可以從中定位出看上去就像廣義相對(duì)論預(yù)言的彎曲時(shí)空那樣的個(gè)體“世界”。按照這個(gè)方法得到的初步結(jié)果令人充滿(mǎn)希望，涌現(xiàn)出各類(lèi)由波函數(shù)各部分間量子糾纏量定義的幾何學(xué)。所以，不要把引力量子化，要在量子力學(xué)中尋找引力。

這個(gè)研究方法很自然地貼合多世界詮釋?zhuān)珜?duì)量子力學(xué)的其他基礎(chǔ)性解釋就沒(méi)那么有用了。尼爾斯·玻爾或許贏(yíng)得了20世紀(jì)奪取量子力學(xué)主流解釋的公關(guān)競(jìng)賽，但休·埃弗雷特似乎已經(jīng)做好了在21世紀(jì)后來(lái)居上的準(zhǔn)備。