量子力学的多世界诠释

1997年7月，在英国剑桥大学牛顿研究所举行的量子计算会议上，有人曾对参加会议的人做过一次非正式的调查。调查的结果明确显示，主流的观点正在发生变化。在接受调查的90位物理学家中，只有8人保持哥本哈根正统诠释观点，有30人接受“多世界诠释”（many-world interpretation），还有50人选择的是“不赞同上述任何观点或者未拿定主意”。对此，美国物理学家惠勒（John Wheeler，1911—2008）在2001年2月号《科学美国人》（Scientific American）上发表的文章《量子之谜百年史》中写道：“这次调查清楚地表明，该是更新量子力学教科书的时候了。……坍缩概念作为一种计算工具毫无疑问仍将有很大的用处，但是，如果再加一句提醒，说明它可能并不是一种违背薛定谔方程的基本过程，那就有助于精明的学生免遭长时间的摸不着头脑之苦。”

2013年，中国物理学家孙昌璞更认为：“从量子力学当代发展，特别是从后来建立起来的量子测量理论的观点看，哥本哈根诠释中被后人反复强调的两个观念—不确定性原理和互补原理，在可操作的层面上完全可以作为玻恩几率解释的推论。从这个意义上讲，二者不是物理上独立的观念，但可以视为对玻恩的解释的哲学提升，因此，‘哥本哈根学派实质上不是一个物理学派，而是一个哲学学派’。”1

现在回到“多世界诠释”：它是量子力学中诸多诠释中的一种，它是惠勒的学生艾弗瑞特（Hugh Everett，1930—1982）在1957年提出的，开始物理学界反应极其冷淡，到了80年代以后才逐渐引起重视。

艾弗瑞特毕业于美国天主教大学（Catholic University of America）化学工程专业。20世纪50年代，他改变了专业，到普林斯顿大学攻读理论物理博士学位，导师是著名的理论物理学家惠勒。惠勒是一位热情洋溢、好奇心极强而且“胆大包天”的物理学家，他手下出现了许多天才和勇敢无畏的学生，例如费曼、索恩（Kip S. Thorne）、贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）、迈斯勒（Charles Misner）、普特南（Mildred Putnam）和艾弗瑞特，等等。他鼓励他的学生提出看似“疯狂”和“推向极致”的观点。

艾弗瑞特在这种强烈创新氛围中，开始了他辉煌的研究。经过对哥本哈根学派正统诠释做了充分的独立思考后，他逐渐形成了自己的观点。他认为正统诠释中波函数的坍缩是一种没有必要的观念，可以通过他的多世界诠释去掉。

1957年，艾弗瑞特提出的“多世界诠释”似乎为人们带来了福音，虽然由于它太离奇，一开始没有人认真对待。英国物理学家格利宾（John Gribbin）认为，多世界诠释有许多优点，它可以代替哥本哈根诠释。我们下面简单介绍一下艾弗瑞特的多世界诠释。

在波函数的迭加态没有坍缩之前，在处于迭加态的观测者看来，每一个态都可以看成是一些备选的平行世界。以薛定谔的猫来说，艾弗瑞特指出两只猫都是真实的。有一只活猫，有一只死猫，但它们位于不同的世界中。问题并不在于盒子中的放射性原子是否衰变，而在于它既衰变又不衰变。当我们向盒子里看时，整个世界分裂成它自己的两个版本。这两个版本在其余的各个方面都是相同的。唯一的区别在于其中一个版本中，原子衰变了，猫死了；而在另一个版本中，原子没有衰变，猫还活着。

也就是说，上面说的“原子衰变了，猫死了，原子没有衰变，猫还活着”这两个世界将完全相互独立地平行演变下去，就像两个平行的世界一样。这听起来就像科幻小说，然而它是基于无懈可击的数学方程，基于量子力学朴实、自洽和符合逻辑的结果。

这个诠释的优点是：薛定谔方程始终成立，波函数从不坍缩，由此它简化了基本理论。它的问题是：设想过于离奇，付出的代价是这些平行的世界全都是同样真实的。这就难怪有人说：“在科学史上，多世界诠释无疑是目前所提出的最大胆、最野心勃勃的理论。”

美国理论物理学家约翰·惠勒，他身后的图形是他创造的“虫洞”的示意图。

艾弗瑞特把以上观点写成了博士论文，惠勒对这篇论文很赞许，论文的预印本在1956年初已经在一些同行中传闻。1957年1月，艾弗瑞特在北卡罗莱纳大学的一次物理学会议上宣读了他的这篇论文，不久后在1957年7月号《物理评论》上发表了论文的简介。惠勒在他写的自传《约翰·惠勒自传》（Geon, black Holes and Quantum Foam:A Life in Physics）中谈到了艾弗瑞特论文的出版。他写道：

当时在期刊中同时还有一篇论文，是由我的学生艾弗瑞特完成的相当艰深的文章。我也特地在那篇文章的篇幅之后，发表了一篇简短报告：《艾弗瑞特的“相对态”量子理论的建构之评估》（“Assessment of Everett’s ‘relative state’ formulation of quantum theory”）。艾弗瑞特是一位独立、用功且知道自我鞭策的年轻人。当他带着论文草稿来给我看时，我即刻就意识到其深奥程度，也看出当时他正钻研某些非常基本的议题，然而他的草稿却几乎令人无法理解。当时我也知道如果连我也难以理解这篇论文，更遑论评议委员会中的其他学术成员。他们很可能会认为论文难以理解，甚至于根本就没有贡献。因此艾弗瑞特与我在我的研究室中度过不少漫漫长夜以修正其论文。即使如此，我还是认为这篇毕业论文需要和一篇姊妹作品同时发表。我的用意是要使其他的委员会成员更能消化理解这篇论文。

不幸的是，虽然有惠勒的推荐和简短介绍，但艾弗瑞特的新诠释公布之后，物理学界的反应还是出乎意料地冷淡，据说艾弗瑞特曾经到哥本哈根去会见玻尔，对人一贯热情、关爱和有宽容心的玻尔没有见他。正统派的物理学家几乎完全拒绝了多世界诠释，漠然置之。

艾弗瑞特遭到学术界如此冷漠的对待，大失所望，于是在获得了博士学位以后就决然离开了物理学界，进入美国五角大楼，成为武器系统评估小组的分析家。他的伟大天分没有贡献给量子力学，而是从事更为务实性的问题。惠勒曾在艾弗瑞特的导游下愉快地参观五角大楼，那时惠勒才知道，艾弗瑞特几乎把那里的所有电脑程序都予以改写。再后来他又成为一名商人发了大财，成了千万富翁。

1968年，惠勒的一个同事和量子引力理论的主要奠基人之一布赖斯·德威特（Bryce DeWitt）和他的学生格拉罕姆（N. Graham）写了一系列文章，介绍和发展了艾弗瑞特的多世界诠释，这才使得艾弗瑞特的理论重见天日。到了20世纪80年代，物理学家们对多世界诠释越来越重视，这使得艾弗瑞特有心重新返回物理学界，对量子力学中最基本的测量问题进行更深入的研究。可惜他是一个不爱运动的“老烟枪”，竟于1982年因心脏病而英年早逝。

格利宾在他1995年写的《寻找薛定谔的猫：量子物理和真实性》（In Search of Schrödinger’s Cat: The Starting-World of Quantum Physics Explained）一书中写道：“在量子的多世界中，我们通过参与而选择出自己的道路。在我们生活的这个世界里，没有隐变量，上帝不会掷骰子，一切都是真实的。”

按照格利宾所说，爱因斯坦如果还活着，他也许会同意并大大地赞扬这一个“没有隐变量，上帝不会掷骰子”的多世界理论。

我们也许记得，在20世纪20年代，有一位物理学家声称他有一个理论可以解决量子理论的基本问题时，玻尔说：“你的理论的确美妙，但是还没有美妙到真实的程度。”格利宾现在认为，艾弗瑞特的理论“确实已经美妙到真实的程度，在寻找薛定谔的猫方面，这个理论可以给出一个合适的答案”。由此可见格利宾对艾弗瑞特的多世界诠释抱有多么大的信心。

多世界诠释示意图（选自参考书目36，88页）。

但是，尽管艾弗瑞特的多世界诠释有非常吸引人的地方，但也存在几个问题。首先，如果这些分开的世界不能发生相互作用，那么非常清楚的是，没有任何办法能够检验艾弗瑞特的说法。其次，测量的问题虽然解决了，但是没有带来新的预言。因此这个理论看起来不能令人满意。甚至约翰·惠勒最后也总结说，艾弗瑞特的观点只能提供一些想法。这个理论的详细公式体系也有很大的问题。费曼担心，在这些不同的世界当中，应该有很多份我们自己的拷贝。我们的每一个拷贝都知道世界是怎么因我们而分裂的，因此我们就可以往前追溯我们的过去。当我们观察我们过去的行踪的时候，观察结果是不是和一个“置身事外的”观察者得到的结果一样“真实”呢？更进一步，虽然在我们观察自身之外的世界的时候，我们可能把自己当成“外面的”观察者，但是我们之外的世界包括别的观察者也在观察我们呀！我们会不会就以为我们看见的东西总是有一致的观察结果呢？就像费曼说的：“可以有很多很多的推测，讨论这些东西并没有什么用处。”

约翰·贝尔同样对多世界诠释带来的后果表示担忧，他认为艾弗瑞特和德威特都把波函数分岔形成很多个宇宙的过程当成一个树形结构，“对于每一个分支，将来是不明确的，但是过去却是明确的”；某一具体的现在与某一具体的过去没有任何相关性，因此，我们这个世界就没有轨迹了。

物理学家们也都知道，还有许多技术上的难题等待他们去解决。但是正如格利宾所说：

我们要么不得不接受哥本哈根诠释，连同那幽灵般的现实的和半死半活的猫；要么接受艾弗瑞特的多世界诠释。当然，可以认为科学市场上“最好的家伙”都是不正确的；这两种选择都是错的。关于量子力学的现实，可能还有另一种解释，它能解决哥本哈根诠释和艾弗瑞特的诠释已经解决的所有问题……但是如果你认为这是一个轻松的选择，一条容易走出困境的路，那么你必须记住：任何这种“新的”解释都必须能够解释自从普朗克在黑暗中取得突破以来的所有成就；在解释万物方面，它必须与目前这两种理论一样好，或者更好。的确，守株待兔似地等待某人对我们的问题提出一个好的答案，这不是科学的态度。在没有更好的答案的情况下，我们就不得不正视目前能得到的最好答案。

因为同样的理由，很多物理学家对多世界诠释很有兴趣，并且抱有信心，其中包括著名的物理学家费曼、盖尔曼、霍金（Stephen Hawking，1942— ）等人。

霍金是一个多世界理论的拥护者，1992年5月他在剑桥凯斯学院做题为《我的立场》的演讲时说：

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。（今天没人敢提这样的动议，哪怕仅仅是一个理想实验，但是在薛定谔时代，人们没听说过什么动物解放之类的话。）

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和活猫状态的混合。有些科学哲学家觉得这很难接受。猫不能一半被杀死另一半没被杀死，他们断言，正如没人处于半怀孕状态一样。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，一个对象只能有一个单独的确定历史。量子力学的全部要点是，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。

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，在另一种中存活。两种可能性可在量子理论中共存。因为有些哲学家隐含地假定猫只能有一个历史，所以他们就陷入这个死结而无法自拔。（见参考书目，43，31页。）

霍金的《时间简史》一书意料不到地畅销，加上霍金奇迹般地战胜死亡，还不断在科学研究上创造奇迹，因此各大媒体都把目光盯向了霍金，他出现在许多电视片上。其中最有意思的是1993年1月拍的《星际航行》系列剧中，他与爱因斯坦、牛顿和演员戴特（照片中背对摄影机的人）一起，打起了扑克牌，美国著名影星玛丽莲·梦露也坐在霍金的身边。爱因斯坦、牛顿和玛丽莲·梦露都是被通过科学幻想故事中的“时空隧道”唤回来的。

《星际航行》中霍金与爱因斯坦、牛顿和玛丽莲·梦露一起打扑克牌。

霍金是玛丽莲·梦露的“铁杆”影迷。在这部影片中霍金洋洋得意地说：

任何一个想得到的故事，在浩瀚的宇宙里都可以发生。其中肯定有一个故事是，我和玛丽莲·梦露结了婚；也有另外一个故事，在那里克娄巴特拉2成了我的妻子。

然而，并没有发生这样的“艳遇”，霍金“遗憾”地说：“这太遗憾了！不过，我赢了前辈们很多的钱。”

盖尔曼对于艾弗瑞特多世界诠释也很重视，在他1994年写的《夸克与美洲豹》一书中对它做了评论。他写道：

我们认为艾弗瑞特的工作有重要价值，但我们又相信还有很多的工作等待我们去干。像其他成果一样，艾弗瑞特对词汇的选择和后来一些人对他的工作的注释，造成了混乱。例如，他经常用“多世界”（many world）来进行解释，但我们相信，多世界的真正意思应该是“多种宇宙可选择的历史”。除此之外，这些多世界被认为是“完全相等的真实”，我们认为把它解释为“所有的历史从理论上看都是相同的，但它们有不同的概率”，这将更加明确而不会引起迷惑。使用我们建议的语言，讲的还是大家熟悉的概念，即一个给定的系统可以有不同的历史，每一种历史有它自己的概率；没有必要使人们心神不安地去接受具有相同真实性的多个“平行的宇宙”（parallel universes）。一位有名的非常精通量子力学的物理学家，他从艾弗瑞特的诠释中得出一个推论：接受这个理论的任何人将希望在俄罗斯轮盘机上进行豪赌，因为在某些“相同真实”的世界里，玩赌局的人不仅活着，而且成了富翁。（见参考书目42，138页）

在盖尔曼的评论中，既肯定了艾弗瑞特的诠释，也提出了一些改进的意见。目前，许多物理学家认为多世界诠释的确是一个具有独创性和革命性的看法。我国量子哲学研究者和超光速通信研究专家高山（1971— ）认为：多世界诠释“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”。

《新量子世界》中译本封面。这是近年来出版的一本比较好的介绍量子力学的科学普及书。

但是，多世界诠释仍然有许多重大问题无法解释，因此，物理学家们对待多世界诠释也不是都表示赞成或者放心，反对者也不乏其人。还有许多理论不断地在提出。这些对一般读者来说十分奇怪的理论，我们这儿就不能一一介绍了。我想，英国物理学家安东尼·黑（Anthony Hey）和沃尔特（Patrick Walter）在他们写的《新量子世界》（The New Quantum Universe）一书中说得好：

在我们关于量子测量问题的简单讨论中，只能很肤浅地触及这些争论的表面。我们希望读者不要为观点的繁杂而沮丧，考虑到这些伟大的物理学家之间也有不同意见，你们应该受到鼓舞才对。量子力学不是一本已经完成了的学问，21世纪可能还会有一些惊人的发现在等着我们。（见参考书目25，158页）

总之，量子力学诞生后的第一个百年已经为我们解答了一大批形形色色的问题，还带来了许许多多强有力的技术，同时也提出了许多等待解决的新问题，这些问题涉及量子引力和实在性的终极本质，等等。如果历史能够为我们提供一些启示的话，21世纪里激动人心的意外发现就应当层出不穷。

1 孙昌璞，“玻恩与量子革命的实践”，《科学文化评论》，第10卷第1期（2013），11页。

2 克娄巴特拉是埃及托勒密王朝末代女王，貌美，有强烈的权势欲望，一开始是恺撒的情妇，然后又与安东尼结婚。安东尼溃败后，又想勾引渥大维，未遂，以毒蛇自杀。