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Max Tegmark 文    Shea 译

如果你认为量子物理是普适的真理,那你就应该相信有平行宇宙。

[图片说明]:是否只有在科幻小说中我们才能生活在平行的世界里?如果一个原子可以同时出现在两个地方,那么你也能。

几乎我所有的同事都知道它,但是却几乎没有人这正读过它。2007年为了庆祝其问世50周年,修·埃弗雷特(Hugh Everett)博士论文的手稿被刊登在了新书《多重世界解释下的量子力学》中。我依然记得当我在伯克利研究生院后面的小书店里找到这本书的时候是多么的 兴奋,一直到现在我都认为这是我读过的写得的最才华横溢的书之一。

当埃弗雷特在普林斯顿师从约翰·惠勒(John Wheeler)开始他的研究生学习的时候,量子力学已经在解释原子方面取得了令人晕眩的成功,但是隐藏在其数学表达式背后的真正意义还备受争议。当我在 普林斯顿做博士后的时候,我有幸和惠勒一起讨论过量子力学,但是我却未曾有机会见到埃弗雷特。

量子力学认为宇宙的状态不能用经典的位置和速度来描述,而是要用被称为“波函数”的数学形式。按照薛定谔方程,波函数会以确定的方式随时间演化,这被数学家称为“唯一性”。尽管量子力学总被认为具有内在的随机性和不确定性,但是波函数随时间的演化却不具有这些特点。

真正棘手的问题是如何把波函数与我们的观测相衔接。许多合理的波函数对应的却是违反常理的情况,例如在同一时间既死又活处于叠加态的“薛定谔的猫”。 20世纪20年代,物理学家对此的解释是,当有人去打开箱子一窥这只猫的死活的时候,波函数就会随机“坍缩”但会留下一个确定的非死即活的经典结果。虽然 这样可以解释观测,但是却让量子力学显得不完整,因为量子力学在数学上没有指明观测是由什么组成的以及波函数何时会坍缩。

埃弗雷特的理论陈述起来很简单,但是它的结果却是复杂的,包括由此产生的“平行宇宙”。概括起来讲,埃弗雷特认为薛定谔方程在任何时候都成立。换句话 说,宇宙的波函数永远不会坍缩。仅此而已,没有提及平行宇宙或者是分裂的多重世界,它们只是这个理论的推论而非前提。他卓越不凡的地方就在于,这样一个没 有坍缩的量子理论仍然可以解释观测。但是他预言,描述宏观世界的波函数会渐渐演化成一个描述多重世界叠加态的波函数,而观测者主观经历这一分裂得到的仅仅 是有限的随机性,其概率和使用波函数坍缩方法计算的结果一致。

获得认同

重要的科学发现一般会经历三个阶段:一开始它们会被完全忽略,然后它们会猛烈地反击,最后则会变得熟视无睹。埃弗雷特的理论也不例外,它花了10年的时间才开始受到重视。但是这对于让学术界觉醒的埃弗雷特来说已经太晚了。

埃弗雷特无坍缩的理论目前还没有进入第三阶段,但是在20世纪70、80年代由于过于疯狂而被广泛忽视之后,它现在渐渐获得了认同。在1999年一次 量子理论会议的非正式投票中,尽管有许多物理学家对此不置可否,但是这一理论的得票要远高于其他的想法。我相信向上的趋势是明显的。

为什么会发生这样的变化呢?我认为有几个原因。来自宇宙学暴涨和弦理论对平行宇宙的预言增加了学术界对这一古怪想法的包容性。同时新的实验显示即使在较大的系统中也会出现量子叠加态。最后,退相干过程的发现解答了埃弗雷特理论中存在的关键问题。

例如,如果这些平行宇宙存在,为什么我们没有察觉到呢?毕竟量子叠加效应不会仅仅局限在微观世界中。同时,由于你也是由原子组成的,如果原子在叠加态中能同时出现在两个地方,那么你也应该可以。

突破来自1970年迪特·泽赫(Dieter Zeh)的一篇开创性论文,他证明薛定谔方程自身具有一种“审查”机制。这一效应被称为“退相干”,在此后的几十年中沃奇克·祖瑞克(Wojciech Zurek)、泽赫以及其他人对此进行了仔细的研究。只有在与外界不发生作用的情况下,量子叠加态才是可观测的。例如,一张量子扑克牌由于其不断地与空气 分子、光子以及其他粒子发生碰撞,摧毁了其自身的叠加态进而变得无法观测,于是它要么正面朝上要么背面朝上。退相干同时也解释了宏观物体为什么具有如此特 殊的状态。

科学还是哲学?

在量子物理中引入随机波函数坍缩是为了解释我们为什么能观测到的概率以及为什么宏观物体不具有叠加态。在埃弗雷特提出一切都是随机的以及退相干理论解 释了为什么我们不曾经历叠加态之后,引入波函数坍缩就显得不是那么必要了。尽管在埃弗雷特的眼中波函数在技术上是永不坍缩的,但是退相干造成的结果看上去 却就像是发生了坍缩。

我觉得现在是时候更新那些依然把波函数坍缩作为量子力学基本假设的教科书了。做为计算手段波函数坍缩依然具有它的使用价值,但是为了避免混淆学生们应 该知道这也许并不是拓展薛定谔方程的基本方式。如果一本量子力学教科书的索引中没有出现“埃弗雷特”和“退相干”,那么我建议你还是另买一本更新的。

50年后我们可以庆祝埃弗雷特的解释依然和观测相符,但是我们还必须面对另一个问题:它是科学还是哲学?其核心是平行宇宙自身并不是一个理论,而是某些理论的推论。对于一个可证伪的理论,我们不需要观测和检验它的每一个预言——只要一个就够了。

由于爱因斯坦的广义相对论成功地预言了许多我们观测到的现象,因此即使我们无法观测我们也会认真对待它所给出其他结果,例如黑洞的内部结构。类似地,量子力学成功的预言也使得科学家们严肃地看待它的其他预言,包括平行宇宙。

此外,通过未来的实验,埃弗雷特的理论也是可以证伪的。它认为,不管这个系统多大,你都不会观测到波函数的坍缩。确实,在含有许多原子的系统中已经观 测到了不坍缩的叠加态,例如碳-60分子。一些小组正在尝试在含有10亿亿个甚至更多原子的系统中制造出量子叠加态,这些系统已经非常接近宏观系统。与此 同时,全世界都在努力制造量子计算机,一旦成功它将可以以比普通计算机快指数式的速度来分解自然数,这相当于在埃弗雷特的平行宇宙中实施并行计算。

鸟的视野

因此埃弗雷特的理论是可检验的,而且到目前为止和观测相符。但是你真的应该相信它吗?当我思考自然界的最终属性的时候,我发现从两个角度来考察一个物 理理论非常有用。一个是以研究其数学结构的物理学家的外部眼光来看,另一个则是用一个身处其数学所描述的世界中的观测者的内部视角来审视。前者好像是一只 飞翔于高处的鸟儿可以纵览全局,后者则像是被这之鸟看到的青蛙。

从鸟的视野来看,埃弗雷特的宇宙是简单的。那里只有一个波函数,它随着时间平滑而确定的演化,不存在分裂与平行。由这个波函数描述的抽象量子世界包含 了大量的经典平行宇宙,它们不断地分裂、合并,同时其中也包含了大量缺乏经典描述的量子现象。从青蛙的角度来看,观测者看到的仅仅是所有物理实在的一小部 分,它们把经典世界的分裂当成了量子世界的不确定性。

那么青蛙的视角和鸟的视野哪个更基本?换句话说,对于你而言哪个更基本:人类的语言还是数学的语言?如果你选择前者,那么你可能会青睐于量子力学的“多重世界”解释,而量子力学为了使得波函数坍缩并且消除多重宇宙牺牲了其数学上的简单性。

但是如果你倾向于一个简单而纯粹的数学理论,那么你——和我一样——会在多重世界解释上遇到麻烦。一般而言,要建立一个能预言所有可观测现象的数学理论是极为困难的,量子理论也不例外。

此外,由于演化所赋予我们的直觉仅仅来自我们的祖先对生存所必需的物理现象的认识,例如石头飞行的轨迹,因此我们觉得量子力学是违反直觉的。

你可以做出选择。但是我担心,如果我们由于它看上去古怪而忽视埃弗雷特的理论,那么我们就有可能失去把我们的视野拓展到地平线以外的机会。20世纪20年代沙普利和柯蒂斯关于是否存在大量星系(当时的平行宇宙)的争论现在依然具有启示作用。

埃弗雷特要我们知道我们的物理世界要比我们所能想象的还要大得多,比起50年前这样一个建议在宇宙学取得巨大突破的今天可能更容易被接受。我们认为埃 弗雷特的唯一失误就是他所处的年代。在下一个50年,我相信我们会更习惯我们的宇宙所拥有的这些古怪的特征,甚至发现这些古怪的特点正是她迷人的所在。

注:在这个宇宙中,作者Max Tegmark是美国麻省理工学院的一名物理学家。

[Nature 2007年7月5日]

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29 Responses to “多重世界中的多重生活”

  1. gerry说道:

    用量子态多重性来类推宇宙多重性?我始终无法相信

    抛出硬币的正反面的确只能用概率描述,量子态也是如此,但就此确认你不看它的时候,它处于叠加态,你看它一眼就退相干了,宇宙从此分裂为一个正面朝上一个背面朝上,太扯了……

    结尾处说河外星系是曾经的“平行宇宙”的实在牵强,拿平行空间的存在来暗示平行时间的存在,真难为他想到这一点……

  2. riset说道:

    看不懂%#¥%¥#

    • Shea说道:

      不好意思,我仅仅是一个“译者”,翻译我个人觉得有意思的文章,因此有时候会无法顾忌受众的感受。与很多以“传播知识”为目的的译者不同,翻译的过程对于个人我来说更多的是“自我学习”的过程。

  3. wilddonkey说道:

    科普,首先要考虑的问题是:你打算给谁看?
    弄清楚这点后才谈得上科普创作,在创作这个环节,最起码两点要做到:对要创作内容的透彻的理解;清晰、连贯、通俗,符合读者语言习惯、文化背景的表达。
    哪怕是翻译,也得从这些考虑出发来进行选择。

    • Shea说道:

      这个问题《自然》杂志已经帮我回答了……

      • wilddonkey说道:

        呵呵,nature的东西,适合谁来看呢?
        跳出具体的物理理论,我相信一个来自麦克斯韦、爱因斯坦和波尔的预言:物理学——无论其关注的问题是热的传递,抑或是空间和时间的几何,还是物质的属性——它向我们描述的都不是客观现实,而是我们能够从客观现实中获得的信息。
        量子理论也是如此,它对获取自微观的粒子世界的信息进行了描述,那么是否是由于我们获得的信息有限,才得到了这些看似怪异、违反直觉的解释呢?
        而从这些解释出发,或者说为了证明这些解释,构造出更多的结构、定义、假设,就是说将对来自微观系统的,很可能是有限的信息的描述,扩展成对客观世界本身的描述是否是一种误入歧途呢?
        另外,没有理由认为这个世界不能用一个统一量子力学和广义相对论的,完整的理论来解释。如平行世界这样“扩展”而成的理论显得可疑,虽然它很迷人。
        文中也提到了所谓的平行宇宙只是薛定谔方程在任何时候都成立,即宇宙的波函数永远不会坍缩这一理论的推论,仅此而已,但最后却把这一推论落实到了对客观现实的解释上,它的意义被放大了。

        nature、science的文章又怎么样呢?同样有很强的倾向性,那么普通的读者能从中得到什么呢?只是知道了一个概念:平行宇宙。
        不针对译者,只针对这样的文章,面对一大堆术语和不符合中文习惯的叙述,没有相关背景的读者无法参与思考,只能盲目的接受,甚至盲目的推崇,乃至迷信,这有悖科普的初衷。
        我觉得,这样的文章还是留给专业人士和有一定基础的研究者来看比较好,不宜面向大众。

        • Shea说道:

          也许是那张“美女”照片坏了事!

          几乎每个人的目光都落到了《多重世界中的多重生活》上,而忘了在这篇文章之前还有另一篇文章《我在这里,我在那里——休·埃弗雷特对量子力学的解释》(http://songshuhui.net/archives/352.html)。在《我在这里,我在那里》中的最后部分,给出了正在进行的一些实验检验,这正是休·埃弗雷特理论的现实意义。

          更为深刻的问题是“由基本粒子组成的宏观物体为什么没有处于叠加态?”、“量子-经典转变是如何实现的?”和玻尔、波姆一样,休·埃弗雷特的理论至少给了一种解释。有关的实验检验也正在进行之中,5月1日出版的《自然》杂志有专门的报道。

          每个人对于休·埃弗雷特的理论都可以有自己的好恶,不过最终说话的还是实验。

          至于“科普的初衷”,我不做评论。我只是一个“译者”,翻译我感兴趣的文章罢了。

          • wilddonkey说道:

            休·埃弗雷特的理论有其价值所在,但问题的关键是,能否将对其理论的解释以通俗易懂的方式表达出来呢?毕竟这里的读者很多都没有科学背景,而这里的文章就是给他们看的啊。
            很希望能看到更多物理、天文方面的文章,而不仅仅是生物、医学的。希望能看到如道金斯的《比我们想象的更奇怪》这样的文章,既深刻又不难理解。我想有关平行宇宙理论也应该有更为深入浅出的文章更适合这里,就是说能否在对译文的选择上更有针对性呢?
            这有一个平台,有一群读者,我们在这里发文章是给这群读者看的,所以必须要考虑到读者的感受,不是吗?呵呵。
            我的意思就在于此,希望能看到你的更通俗易懂、深入浅出的文章:)

  4. Yin Zhangqi说道:

    http://my.donews.com/zqyin/2007/07/05/post-070705-173337-658/
    I have translated it into Chinese long time ago.

  5. David说道:

    这篇文章写得不错, 我特别喜欢鸟的视野那一段.

    • Shea说道:

      深表同意!我甚至有一次将“鸟的视野”这段话做为了我某次演讲的开场白。

  6. 桑葚说道:

    这是我看到的第二个翻译版本。多重世界确实很迷人。

  7. xmd说道:

    对于这篇文章的翻译,我看到了几个,我想说的是:这是我看到的最好的翻译!译者不但通透的理解了文章本意,而且翻译的也很出色,可见翻译功底深厚呀!

  8. Calon说道:

    能够挡住奥卡姆剃刀吗?

  9. dua说道:

    看不懂。。。

  10. Mia说道:

    奥卡姆剃刀是怎么回事?
    文章写得挺好的呀,我觉得有人能翻译这些平时很难接触到的前沿的科学给我们看,真的很好很强大……
    谢谢!
    虽然看这些理论的时候是见一个相信一个,但是我还是觉得这个观点是我最喜欢,最有共鸣的一个了……
    觉得“坍缩”这个词有一点牵强,也觉得微观和宏观其实是可以统一起来的……历史上不是有不少这样的例子么。
    再次感谢

    • Shea说道:

      谢谢你的支持!

      为什么我个人一直觉得《环球科学》是一本“好”杂志?估计Steed看到这句话要偷笑了。那是因为我能看到身处科学最前沿的科学家所写的介绍他们最前沿工作的文章。当然这其中还有一个受众的问题。但是不管怎么说,我想大众可能已经不满足于“十万个为什么”式的科普了,至少有一部分人已经不满足了。我个人仅仅是一个“译者”,我喜欢翻译和前沿悉悉相关的文章。再次感谢你的支持!

      下面说说细节:

      “坍缩”这个词源于文中出现的“collapse”,意思很多,但是一般译为“坍缩”。

  11. null说道:

    相当棒!
    支持一下

  12. wangjian说道:

    牛比的文章,希望老大今后多翻译一些关于量子力学的文章~~,我们这里的同学都和喜欢看~~~~~~~~~~~~

  13. mas说道:

    我在赌场掷了一把筛子,赢了大鱼大肉,输了饿肚子,叠加的结果相当于喝了一碗稀饭?

  14. sunliang说道:

    埃弗雷特的东西很值得看一下啊

  15. wokao说道:

    多重宇宙虽然可以解释薛定谔猫的悖论,他将生与死的矛盾割裂开放到两个互不联系的平行宇宙中,但却违反了哲学中普遍存在的矛盾的辩证法(所谓辩证法就是要首先承认矛盾双方是互相联系的整体)这使多重宇宙的关于生和死的讨论死去了意义。
    简单说来辩证法就像根基,生与死是立于辩证法之上的矛盾,最基础的都被否定了,那讨论又有什么意义呢?

    • Shea说道:

      哲学能用来评判科学?在我的概念中只有实验才能做到这一点!

      • ply_xyz说道:

        如果科学和哲学相交了,那么应该用试验来判定科学,科学来判定哲学。
        哲学也能被试验验证了,多好啊。

  16. yanyu说道:

    shea是懂量子力学的,平行宇宙的概念很迷人,宇宙到底是什么不是物理学的任务,物理学只关心怎样描述这个世界,如果理论能解释更多的现象,预言更多的现象,那么它就是一个好理论.物理学总是走在哲学的前面.考研考政治的结果就是把辨证法当成了教条.

  17. 中指出说道:

    文章之前先做些铺垫介绍,不然整篇文章奥涩难懂。。一开始就跳出个波函数~

  18. 东方蔚龙说道:

    这篇文字很好,我支持多翻译这样的文章。

    批评者未免有点“应该之暴虐”,没必要,没兴趣的看不明白的看不懂的自己会跳过不看的,不用太为读者担心,更不要动不动就担心读者水平太低。

    况且,什么时候开始,个人的“评判标准”变得那么重要了?

  19. 说道:

    不错

  20. ZHX说道:

    始终看不懂量子理论,不知道是国内教科书的原因还是自己的原因。
    总觉得所谓观察者,是个唯心的理解。
    毕竟猫是死是活,并不是由观察者知不知道来决定的。