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Mark Buchanan 文 Shea 译

大约50年前,一个对量子力学标准观点不满的物理系学生提出了他自己的全新观点。

1957年,一位来自美国普林斯顿大学的年轻物理学家发表了他的第一篇论文——这篇论文当时被没有受到重视,然后他便从学术界消失了。直到他1982 年去世(终年51岁)为止,他一直是美国国防工业的一名工程师和分析师。但是一些物理学家却认为,休·埃弗雷特(Hugh Everett)对科学的深远贡献远远超出了他的论文所含盖的范围。他们说,他的第一篇论文为解开量子力学中最久远的谜题之一提供了新的方法。

量子理论已经取得了许多巨大的成就,但是物理学家们始终对它的逻辑自洽性表示不满。以薛定谔的波动方程为例,量子理论认为诸如电子这样的微观粒子会具 有奇怪的“叠加态”,这会使得它们可以同时处于两个地方。薛定谔方程帮助我们解释了原子的行为,但是对于例如椅子这样由微观粒子组成的宏观物体,为什么我 们从来不曾看到一把椅子可以同时出现在两个不同的地方呢?

20世纪20年代后期玻尔和海森堡在他们著名的哥本哈根解释中提出,我们之所以没有在宏观物体中看到叠加态是因为当我们试图去测量这些叠加态的时候它 们坍缩了。而与之形成鲜明对比的是,埃弗雷特提出了另一个想法——叠加态确实也影响着我们这个世界,我们只是没有注意到而已。正如他指出的,量子理论中的 数学说明,当我们遇到一个具有叠加态的粒子并且说它在这里在那里的时候,叠加态也会作用在我们自己身上,把我们分成一个看见这个粒子在这里的人和一个看见 这个粒子在那里的人。其实从后人的角度来看,正是埃弗雷特提出了在量子物理中一个宇宙可以分裂成并行共存的“多个世界”。

这个想法由于过于奇特而被排斥,同时那个时候许多其他的理论也被提了出来。对此实验也无能为力。批评家认为实验无法把“多重世界”理论和其他的理论区 分开。“如果实验不断地证实量子理论,那么我们就会处于一个极为困难的境地,不得不在不同的理论中做出一个决断,”美国哥伦比亚大学物理学家、哲学家大卫 ·阿尔伯特(David Albert)说。不过支持者却认为,通过不断发现否定哥本哈根解释所需的“坍缩”的证据,实验将有助于澄清各个理论。

2007年底,一些物理学家、哲学家和数学家分别在加拿大和英格兰聚会商讨50年来埃弗雷特理论的现状和未来。“这个理论,”英格兰会议的组织者、牛 津大学的科学哲学家西蒙·桑德斯(Simon Saunders)说,“已经拥有了一些支持和反对它的关键论据,并且不久可能就会有一个定论。即使这个定论不是针对这个理论本身的,那也至少可以精确地 告诉我们它的优势和不足。”

失去控制

自从20世纪初量子力学成为了解释原子和核物理不可或缺的手段之后,对量子力学本身的解释以及为什么我们不处于叠加态这样一个疑问一直困扰着物理学 家。玻尔以及其他早期对量子力学的解释直接把我们的世界分成了经典的和量子的两部分,并且假设量子理论仅仅对后者起作用。根据他们的理论,电子和其他微观 粒子会按照量子波动力学运动,直到它们与宏观物体(例如测量仪器)发生相互作用,它们的多个叠加态才会坍缩成一个。玻尔指出用量子相互作用与生俱来的不可 控制性可以来解释实际测量中的不可预测性。


[图片说明]:休·埃弗雷特(右)在1957年发表的论文中挑战玻尔对量子力学的解释。

20世纪30年代,匈牙利数学家约翰·冯·纽曼(John von Neumann)以他提出的“坍缩假设”数学化了哥本哈根解释,之后它便成了量子力学中的标准规则。使用这一假设,你就可以精确计算测量时出现不同结果的 概率。但是量子理论仍然没有精确地告诉我们为什么以及何时会发生坍缩。尽管取得了这些成功,但是量子理论看上去还是不完整的。“当它们出现在教科书中的时 候,”美国拉斯·阿拉莫斯国家实验室的物理学家沃奇克·祖瑞克(Wojciech Zurek)说,“量子理论的公理是互相矛盾的。”

量子与宏观的统一

对于许多物理学家而言,最杰出的爱因斯坦和玻尔在经典和量子世界上的分歧导致了物理学家们对客观世界进行了任意而无法接受的划分。量子理论也应该可以 用在经典的测量仪器上,毕竟它们也是由微观粒子组成的。从那时到现在恢复这样的一种整体性成为了量子物理学家们的一大目标。

从20世纪50年代开始,以美国物理学家大卫·波姆为代表,理论家们试图发展出一套自洽的量子理论。波姆提出了所谓的“隐变量”解释,其中的微观粒子 一直具有唯一的位置和速度。波姆的理论不需要用到坍缩,但是它不同寻常的数学结构以及显然无法在实验中测量这些隐变量的特性使得它仅仅吸引了少量的物理学 家。

在过去的20年里,科学家们也提出了许多种解释。这些解释都与玻尔的相一致,只是更为具体。他们提出修改薛定谔方程,使得不同的叠加态在遇到宏观物体 时可以自然而然地快速坍缩成一个,由此为为什么我们没有在现实世界中看到叠加态提供一个更为精确的解释。通过使用自洽的数学方法纳入薛定谔方程中,这些理 论不再需要坍缩假设。

埃弗雷特则提供了另一条途径。他认为不会发生坍缩,宇宙中的每一个事物都以薛定谔方程给出的波动力学方式运动。他提出,我们看到的类似坍缩的现象只不 过是因为我们本身也是量子世界的一部分,因此也处于不同的叠加态中。埃弗雷特认为,量子理论为现实世界提供了它自己的解释,即宇宙分裂成了多个平行的世 界。

“根据这个想法,”牛津大学的大卫·道奇(David Deutsch)说,“我们的宇宙仅仅是更大的多重宇宙的一小部分。我们宇宙中的一切——包括你、我、每一个原子以及每一个星系——在其他宇宙中都有着对应体。”

这三种理论都有着它们各自的支持者,但是对于那些从事量子信息和宇宙学的科学家而言,有越来越多的科学家站到了埃弗雷特一边。“采用这一观点的这些领域可以自洽地把量子理论推向它的逻辑极限,”祖瑞克说,“而正是埃弗雷特给了我们这样一个机会。”

埃弗雷特的想法现在也正在变得越来越普及,部分原因是量子理论物理学家们已经在解决那些以前看似是致命的问题上取得了进展。其中一个问题就是尽管埃弗 雷特的理论预示世界分裂成了多个分支,但是其自身并没有清晰地告诉我们这些分支是如何形成的。例如,在标准的量子理论中,处于叠加态的电子如果其速度的定 义非常模糊的话,那么它的位置就可以被精确定义,反之亦然。这两种图像不存在谁比谁更准确的说法。类似地,在埃弗雷特的理论中找不到一种明确的方法可以用 来识别组成叠加态的多个并存的不同分支。

欺骗行为

20世纪70年代德国海德堡大学的物理学家迪特·泽赫(Dieter Zeh)发展出了一套被称为退相干的理论,之后祖瑞克对其进行了扩展。这个理论认为,由于量子系统与其周围环境的相互作用,它们不会长时间处于叠加态上, 而是趋向于“退相干”。其结果是,环境的作用使得量子系统的行为就好像发生了坍缩,而实际上它们却和周围的环境更紧密地纠缠在了一起,以致于没有实验可以 探测到它们,而且对于多粒子系统更是如此。

许多物理学家认为,在与退相干结合起来之后,“多重世界”理论会显得更具有吸引力。这是因为退相干可以挑选出宏观物体中常见的态,使得它变得更可靠而且因此变得具有可观测性。这个理论甚至还得到了一些实验的肯定,而且看上去还去除了多重世界理论中的不少不确定性。

另一个埃弗雷特理论中长期存在的问题是概率,这一量子物理的基石。使用坍缩假设,波函数的大小可以用来计算电子位置和速度的概率。但是多重世界由于主 张量子系统永不坍缩,因此根本没有概率这一说法。“在埃弗雷特的理论中,”加拿大西安大略大学的物理哲学家韦恩·迈耶弗德(Wayne Myrvold)说,“似乎根本没有概率的容身之地。”

即便如此,通过考虑人脑及其他组织如何记录它们环境的变化,道奇和同在牛津大学的物理哲学家大卫·华莱士(David Wallace)最近提出一种方法可以在埃弗雷特的理论中建立量子概率。

他们使用决策论——一种用于最优化决策的逻辑科学——来研究如果一个位于某个多重世界宇宙分支中的个体试图尽可能精确地预言真实世界的结果,那么他或 她该怎么做。他们的结论是,当这些个体进入新的多重世界分支面对新的结果的时候,他们会把概率“分配”到那些分支上,最终会得到和坍缩假设给出的相同的概 率。

尽管并不是每个人都对此信服,但是一些物理学家认为道奇和华莱士成功地向世人展示了如何在埃弗雷特理论中自然构建量子概率。“我并不相信它完全能行得通,”迈耶弗德说,“但是我们已经取得了巨大的进展,而且它也不像我曾经想象的那样无法实现。”

更大更好

热衷于埃弗雷特理论的支持者也指出越来越精湛的现代物理实验尽管不断确认了量子理论的预言,但是也可能包含了未知的例外。正如埃弗雷特的理论所预料的 那样,使用原子束缚和量子光学技术,实验家们在包含越来越多粒子的系统中观测到了量子叠加态。“多重世界理论正在慢慢地成为物理学中的主流,”美国约克大 学的数学家托尼·萨德拜瑞(Tony Sundbery)说,“其中的部分原因是我们看到在没有坍缩假设的前提下量子理论在越来越大的系统中依然成立。”

但是阿尔伯特说,想用实验来证明多重世界理论可能是枉费心机。他指出,所有与多重世界理论一致的实验同时也和量子理论相一致,而且其中还有一些与波姆 的隐变量以及其他的一些理论吻合。在实验中观测到波函数的坍缩将会否定埃弗雷特的理论,但是目前还没有观测到这一现象的原因可能仅仅是因为在量子叠加态中 控制实验上的困难所造成的。

物理学家们希望,未来的实验通过检验修改的薛定谔方程可以更直接地挑战波函数坍缩的观点。“不幸的是,”阿尔伯特说,“在这个方面,我们的实验能力还 远远不够。”尽管一些科学家有着宏伟的蓝图计划在宏观物体——例如在含有100万个粒子的气体——中寻找叠加态坍缩的证据,但是目前量子叠加态实验中粒子 个数的最好纪录大约只有1000个。

眼见为实

尽管在2007年底召开的两次会议都是埃弗雷特的支持者主办的,但是会议不会成为“单边会谈”,许多科学家还是会对针对实验检验以及理论本身存在的概 念性问题提出他们自己的观点。“即使你接受了‘多重世界’的观点,”牛津大学的物理学家罗格·彭罗斯(Roger Penrose)说,“你还是需要一个自洽的理论来解释我们在这个世界中切实感受到的物理。”他说,缺少了它多重世界理论就会显得本末倒置。

即使是对此态度冷淡的阿尔伯特也对这个领域所取得的理论进展给出了正面的评价,他说:“我个人的猜测是最终它不会成功。但是至少现在人们清楚地知道问题出在哪里。”

桑德斯和其他埃弗雷特的支持者认为,那些反对多重世界理论的人,无论他们是否承认,或多或少是由于他们本能地不喜欢这一非直觉理论的结果。“在埃弗雷 特解释下的量子理论非常奇妙。可能正是由于它过于奇妙了,所以使得大多数的物理学家们没有认真对待它,”桑德斯说。但是不管怎么样,无论是从事多重世界研 究的物理学家还是从事其他解释研究的物理学家,他们至少都是赞同埃弗雷特论文的核心观点,那就是要极为慎重的对待量子理论。

[Nature 2007年7月5日]

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20 Responses to “我在这里,我在那里——休·埃弗雷特对量子力学的解释”

  1. tintin说道:

    埃弗雷特的理论似乎为孔洞的发现提供了一个思路,如果我们接触到的常态宇宙,在叠加过程之中应该留下一种缝隙。那么某些能量会打开这个缝隙,来连通多重宇宙。我儿子问我黑洞的尽头是什么,他只有六岁,不过他第一次在科学美国人杂志上看到honda的asimo,就跑来对我说,这个机器人不同,它能成为朋友,还会学会我们的事。然后不停地看。那仅仅是个广告。但是凭直觉判断了今后科技的方向。 我们有一张去火星用的电影票,当时当我和他说这时单程的,他严肃地对我说,你错了,因为我们坐在椅子上,通过一个管子,外面看上去是太空,实际上什么也不是,如果你出去就会不见了,最好坐好了。没有人和他讲过太空电梯的故事吧。

  2. Xi说道:

  3. Shea说道:

    休·埃弗雷特1957年的论文:

    "Relative State" Formulation of Quantum Mechanics
    Hugh Everett
    Rev. Mod. Phys. 29, 454 (1957)
    Cited 295 times

  4. wilddonkey说道:

    这篇公允多了
    感慨休·埃弗雷特的经历,虽然不一定赞同他的理论。

  5. 白虹说道:

    虽然我不是内行,但作为量子力学的爱好者,在从哥本哈根解释到隐参量,平行宇宙,退相干等各种理论之中,平行宇宙解释结合退相干是最令我信服的。不然,哥本哈根学派不得不引入意识这个幽灵,来决定既死又活的薛定谔猫的悲惨命运。波函数坍缩是冗余的假设,也是致命的弱点,如果可以去掉,就符合奥姆剃刀原则。从这个意义上,也许可以了解,为什么平行宇宙解释会成为量子力学的新主流

    • Shea说道:

      看的出,阁下是懂行的,几句话就抓住了文章的核心(平行宇宙+退相干)!现在我个人更为关注的是它的实验检验,以及未来在量子计算上的“应用”。

  6. mas说道:

    根据这理论,那一张电子的双缝干涉照片出来,应当是一半的人看到电子通过其中一条缝,而另外一半的人看到电子通过另一条缝。

    为什么事实不是如此?

    • 刘典说道:

      不是说一半人和另一半人。 是一个人分两个, 两个人分别看到电子重不同的缝隙里面通过。 这两个人在不同的宇宙,不能互相沟通。

    • plebeian说道:

      您抓住了问题的关键,其实这个思考方向是正确的,道理和“维戈纳朋友”是一样的。

      实际上,站在第三位观察者的角度上,看到“过程”没有显现为一半人看到通过A,一般人看到通过A',而是认为人被分为了两个,实际上是相当荒谬的。因为,假设意识不起作用,则人和双缝、乃至光子应该是具有同等物理意义,光子、人、双缝,都没有优先性。

      本想绕过意识,结果却成了赞同意识的特性。

  7. sun说道:

    measure is an action. it does not have to mean measure by 'conscious'.

    i.e. a robot can also measure the single electron diffraction experiment.

  8. fms说道:

    一帮为薪水的骗子。

  9. compman说道:

    其实平行宇宙与波函数坍缩的问题本质是一样的,平行宇宙也没有解决本质问题。波函数坍缩引出了观测本质的疑问,虽然平行宇宙避免了这个问题,但是引起宇宙分裂的是什么这个问题却依旧没有解决,就是说引发理论得出的现象的原因的本质并没有得到说明,只是换了一种说法而已

  10. rnzjh说道:

    支持退相干会陷入唯心主义的境地,是一种纯粹臆想出来的东西。

  11. Bluetrees说道:

    OK,我是一个原始社会的物理学家,我一直不懂牛顿、伽利略....。

    我一直在观察,物体从山坡上滚下去,我的身体的力感受器有些问题,所以没有天平的时候我感觉不到不同物体重力差异。我把我觉得一样的物体,外观上都是球,从山坡上滚下去,但是不知道为什么他们到达坡地的时间总是不一样,我做了好多次试验,真他妈的烦人,一点规律也没。

    后来我做一张表,哇,竟然是有规律的,大概和长度的平方成正比,和角度成反比,分布在一个值附近。

    我真高兴。后来我们迁移了,我们到了一个新地方,我又做了那些实验,真他妈的妙啊,我发现了一个常数和我们生活的位置有关系,我又在不同的地方测量了这些数据,得到一个数据分布图。

    我一直很奇怪,为什么同样的球会得到不同的值呢,我们的巫师告诉我,这世界是分裂的,每时每刻都在分裂,你在这个世界看到这球滚落是这个时间,那个世界看到是那个时间。在球滚到底的时候世界分裂了,但是你永远无法和别的世界通信。

    我听了挺高兴的,但如果两个平行的世界永远无法交换,那有什么意义呢?巫师告诉我,你要仔细的聆听,不同世界之间还是有神秘的东西在交换。

  12. Bluetrees说道:

    反正我觉得不需要平行世界和退相干。

    那只猫是死是活?是死是活?OK,我们用人和鸡蛋。里面那个人出来后啥也不说。但是他出来后就走了,谁也没告诉结果。他测量了吗?他测量了吗?他没测量?他测量了?

    多年以后,我们的技术很先进,超光速了,我们追上了他那会儿发出的脑电波。测量了,量子态塌缩了。塌缩了。要么我们放了一个探测他脑电波的机器在火星,我们谁也不知道他到底挨蛋了没有。多年后我们去拿了那个探测器的资料,测量了????

    在我们构造的系统中,第一个种情况超光速,那是不允许的,第二种情况,在那个场景中,那个人和那个探测器构成了所谓的量子纠缠态,我们要么问那个人,要么去测那个探测器,探测的一刹那,量子态塌缩了。

    在这个过程中,我们如果那么解释,实际上那个人的自由意志对我们毫无价值。但是,我们认为那个人知道,那个人的知识是我们的一部分,在这种状态中,那个人和我们也构成了所谓的量子纠缠态,我们头脑中的意识的量子态一直无法塌缩,因为没办法测量那个人的自由意志,直到我们测量了。更为困惑的是,有人测量了也不说,所以我们全体人类关于这件事情的意识“量子态”塌缩是逐步扩散的。有人说他知道了,我们都相信他,并且他不需要说出结果,只要证明他是知道的,这是可行的,我们永远没测量,但是我们知道有人知道。

    好乱啊。

    我们用经典的方式解释这件事情就可以了。我们只要承认,任何事情都是依概率发生的就好了,我们可以把事物分类,得到更精确的分类概率,表面上看起来似乎都是精确的,但是事物还可以继续分类,不断得到更精确的分类概率。量子力学告诉我们,任何东西都是有限的,我们不可以不断的分类,即便我们从所有的参数上判断一个物体是同一类的时候,依然会存在依概率分布的结果。我们把它看成是内在具备的特性就可以了。

    第二个公理,人不可以两次踏入同一条河流,其实没有任何两个电子是完全一样的,他们所处的时空背景不同。即在这里又在那里是没有意义的。

    有限的世界+不相容公理就足够了!

    一只猫的死活有什么关系呢,他和我们构成纠缠态了吗?你定义的假设是构成了纠缠态但是不会塌缩,有这样的纠缠态吗?!

  13. Bluetrees说道:

    那只猫换成人就不同了,因为我们相信那个人知道,还知道他和我们一样。但是我们不相信猫知道,还需要我们开箱检查,扯淡!

  14. 尽吹散说道:

    猜想

  15. 路人说道:

    我一直在想一个问题,哪个傻叉证明的世界上没有两片相同的树叶,又有谁能证明没有2个电子完全一样?
    这种提法感觉根本不像科学,既然无法证明,又在没有足够实验的基础上,谁下的结论?如果硬从逻辑上说,世界上存在2片相同的树叶,这个逻辑更简洁些。因为最坏情况下才需要比较世界上所有的树叶。而没有2片相同的树叶这个结论最好情况下需要将世界上所有现在,将来,过去的树叶做对比-_-!!!!!

  16. Galaxyseven说道:

    单一客观真实宇宙是自我意识的错觉,宇宙是因主观认知才"存在"的,因此,平行相对宇宙同时存在,就看你的主观选择了。例如,杀手甲正在犹豫要不要杀死乙,对甲主观感受而言,乙死和乙活是不同的相对宇宙,就看甲的选择。对乙而言,也有乙主观感受的乙死或乙活的两种平行宇宙,这在逻辑上并没矛盾。但是如果坚持只有单一客观宇宙的话,就会产生逻辑矛盾。因为现代物质实证科学的哲学基础是单一客观真实宇宙,所以才会觉得无法理解。未来心灵科学的哲学基础是主观即真实,只要能诚实描述,就符合心灵科学精神。相信我一句话,宇宙没有不可能,只有自我设限。

  17. constantin说道:

    平行宇宙的想法还是值得好好思考的,任何成熟的理论在刚开始的时候都是比较奇特的,我们应该以一种宽容的态度去面对。我觉得任何物理概念都是相对客观的,我们所做的实验都不能完全证明其正确性,这只是人们主观意识所创造出来的。