編譯 喬琦

美國加州理工學(xué)院理論物理學(xué)家肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）在他的新書《隱匿深處之物：量子世界與時空的出現(xiàn)》中說：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自一位只寫過一篇論文、名不見經(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)家陷入了爭論，畢業(yè)后就離開了學(xué)術(shù)圈，甚至都沒有遞交應(yīng)聘教授的申請。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”。這個解釋從來都不令人滿意，但玻爾的個人魅力以及科學(xué)家對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)分微觀量子系統(tǒng)和宏觀觀測者。量子系統(tǒng)的存在形式是各種可能出現(xiàn)的測量結(jié)果的疊加態(tài)，稱為“波函數(shù)”。例如，一個自旋的電子就有一個描述“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)測量前根本就不存在。相較之下，宏觀觀測者則遵循我們熟悉的經(jīng)典物理學(xué)的所有規(guī)則。觀測者測量量子系統(tǒng)的那一刻，這個系統(tǒng)的波函數(shù)就會毫無征兆地突然坍縮，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。我們不觀測的時候，量子系統(tǒng)的波函數(shù)根據(jù)埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）在1926年寫下的薛定諤方程平穩(wěn)地變化。但是，當(dāng)我們展開觀測的時候，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。

對這種解釋不滿意？很多人的感受和你一樣。測量的含義究竟是什么？是什么讓觀測者如此特殊？既然我是由無數(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，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年代的時候，要是有人質(zhì)疑這一點，大家就會覺得他多少有點不禮貌。

不過，這并沒有讓埃弗雷特感到煩惱。他那頗具遠(yuǎn)見的想法，也就是人們現(xiàn)在熟知的量子力學(xué)的多世界詮釋，起源于1954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，從哥本哈根來訪）的一場討論。當(dāng)事人后來回憶起這件事的時候，都說他們?nèi)水?dāng)時喝了不少雪莉酒。

當(dāng)時，埃弗雷特已經(jīng)開始在惠勒的指導(dǎo)下開始思考量子宇宙學(xué)的問題了。所謂量子宇宙學(xué)，就是把整個宇宙當(dāng)成一個量子系統(tǒng)來研究。埃弗雷特推斷，很明顯，如果要從量子角度討論宇宙，那就不可能開拓出一個獨立的經(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)則來處理，包括身處其中的觀測者。這樣一來，整個宇宙就只有一種量子態(tài)，描述它的則是埃弗雷特所說的“宇宙波函數(shù)”。

如果一切都是量子，并且宇宙由一個波函數(shù)來描述，那么測量是怎么發(fā)生的呢？埃弗雷特推理說，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程中，一定會自動發(fā)生某些事情。我們根本不用引入任何有關(guān)測量的特殊規(guī)則，一切都在時刻發(fā)生碰撞。

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

測量裝置執(zhí)行了自己的任務(wù)，這個事實會告訴我們“自旋+裝置”這個總系統(tǒng)的量子態(tài)按照薛定諤方程演化的方式。也就是說，如果一開始的時候，我們的測量裝置處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，而電子處于完全自旋向上的狀態(tài)，我們就可以保證測量裝置最后會演化成測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)，并且測量裝置已經(jīng)測得它為自旋向上狀態(tài)”。

類似地，如果測量裝置成功地測出電子自旋向下，那就意味著這個裝置一定從“準(zhǔn)備就緒狀態(tài)”演化到了“測出自旋向下狀態(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，究竟會發(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)開始是怎么演化的，那么從兩者之間疊加態(tài)開始的演化結(jié)果一定也會是上述兩種狀態(tài)分別演化的結(jié)果的疊加態(tài)。換句話說，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)的測量裝置開始，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得自旋向上，加上電子自旋向下且裝置測得自旋向下。如果我們完全按照薛定諤方程來推導(dǎo)，那么這就是描述“自旋+裝置”這個總系統(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。

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

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世界。實際上，它們始終存在，而薛定諤方程會不可避免地把它們帶到我們的生活中。問題在于，我們在自己的經(jīng)驗世界中似乎從來沒有見過涉及宏觀物體的疊加態(tài)。

傳統(tǒng)的補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)演化的一種獨立方式。正如埃弗雷特后來指出的：“哥本哈根解釋完全無法自圓其說，因為它先天就依賴于經(jīng)典物理學(xué)……以及宏觀世界的“現(xiàn)實”概念這個哲學(xué)怪物，并且還否定了微觀世界中的同等概念?！?/p>

量子力學(xué)的多世界詮釋一勞永逸地解決了測量過程和波函數(shù)坍縮過程中的所有謎題。我們不需要引入針對觀測的特殊規(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，這個理論對“測量”和“觀測者”的構(gòu)成也沒有特殊要求——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量，都會產(chǎn)生通往分世界的分支，而觀測者就是帶來這種相互作用的系統(tǒng)。尤其需要指出的是，意識和這種相互作用毫無關(guān)系。這個“觀測者”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，宏觀系統(tǒng)也沒有任何特殊之處，除了這些系統(tǒng)會“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@個如此強大且簡單的量子力學(xué)統(tǒng)一理論付出的代價就是海量的分世界。

對當(dāng)時的埃弗雷特來說，困難之處在于無法讓別人接受他的這些觀點，其中包括他的導(dǎo)師。從個人角度來說，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點，又想確保它們不會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就是對玻爾思想的直接攻擊。埃弗雷特自己也知道這點，還很喜歡用生動的語言繪聲繪色地描述這種攻擊。在論文的初期草稿中，他用了一個變形蟲的類比來說明波函數(shù)的分化：

想象現(xiàn)在有一條記性不錯的聰明變形蟲。它無時無刻不在分裂，每一次分裂產(chǎn)生的子變形蟲都會擁有與分裂前母變形蟲相同的記憶。這樣一來，我們的變形蟲擁有的就不是一條生命線，而是一棵生命樹。

1956年，在埃弗雷特給論文收尾的時候，惠勒造訪了哥本哈根，并且將這個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，惠勒此時還是努力想讓大家了解埃弗雷特的這個理論，哪怕在這個時候，持“波函數(shù)就是坍縮了，不要問具體是怎么坍縮的”這種觀點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這么多可以開展的有趣應(yīng)用工作的情況下根本沒興趣反思該理論的基礎(chǔ)是否有缺陷?；堇铡８ダ滋睾捅说蒙酥g的信件在大西洋上空來回飛舞，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的有趣部分——其中包括從概率論和信息論角度開展的檢驗以及對量子測量問題的審視——只是專注于討論多世界詮釋在量子宇宙學(xué)中的應(yīng)用。（最后的論文里也沒有出現(xiàn)變形蟲，但埃弗雷特還是成功地在惠勒不注意的時候把“分裂”這個詞添進(jìn)了補充的腳注里。）

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，他接受了一份美國國防部武器系統(tǒng)評估小組的工作，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學(xué)術(shù)圈，連當(dāng)教授的申請都沒有遞交，究竟是因為他自視甚高的新理論遭遇了劇烈批評，還是只是因為對整個學(xué)術(shù)圈都失去了耐心。

不過，即便埃弗雷特再也沒有發(fā)表量子力學(xué)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)論文，他也仍舊保持了對這門學(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，惠勒勸說他自己去一趟哥本哈根，與玻爾等人進(jìn)行深入交流。這次訪問并不順利，埃弗雷特事后評價說：“這次訪問一開始就注定失敗?！?/p>

發(fā)表埃弗雷特多世界詮釋理論的期刊編輯、美國物理學(xué)家布萊斯·德維特（Bryce DeWitt）曾寫信給埃弗雷特抱怨說，現(xiàn)實世界顯然不可能“分化”，畢竟我們從來沒經(jīng)歷過這樣的事。埃弗雷特用當(dāng)初哥白尼同樣大膽的觀點“地球繞著太陽轉(zhuǎn)，而非太陽繞著地球轉(zhuǎn)”的例子反駁：“我忍不住要問，你感受到地球的運動了嗎？”德維特?zé)o法反駁，只好承認(rèn)這是個相當(dāng)漂亮的回答。

在仔細(xì)思索之后，德維特在1970年時已經(jīng)堅定地支持起了埃弗雷特的理論。為了推廣這個理論，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，使其擺脫了默默無聞的境地。德維特的推廣策略中有一項是在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多世界詮釋理論的評論。這本論文集的書名就叫作《量子力學(xué)的多世界詮釋》（The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics），一個流傳至今的生動名字。

1976年，惠勒從普林斯頓退休了，然后接手了德克薩斯大學(xué)的一個職位，德維特當(dāng)時也在那里任職。1977年，他們兩人一道組織了一個關(guān)于多世界詮釋理論的研討會，惠勒還說服埃弗雷特從國防工作中抽出時間前來參加。這次研討會大獲成功，埃弗雷特也給在場的諸多物理學(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，后來組建了鰻魚樂隊）說，一開始，他對父親這種不愛惜身體的生活方式感到相當(dāng)不安。不過，他后來改變了看法：

我意識到，父親的生活方式有一定價值，就隨他去了。他愛吃就吃，愛喝就喝，愛抽煙就抽煙，然后有一天，他突然就那么去世了。和我見到過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痛苦。

然而，物理學(xué)沒有忘記埃弗雷特。如果說埃弗雷特生前身后有什么不同的話，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時代，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，埃弗雷特有一點肯定是對的：一旦我們以整個宇宙為研究對象，就完全沒有必要給古典觀測者預(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·愛因斯坦的廣義相對論）研究量子引力并且將其“量子化”的傳統(tǒng)策略，阻礙了我們對量子引力理論的探尋。或許，大自然的運作方式本就不是那樣，它從一開始就是量子。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)，問問是否可以從中定位出看上去就像廣義相對論預(yù)言的彎曲時空那樣的個體“世界”。按照這個方法得到的初步結(jié)果令人充滿希望，涌現(xiàn)出各類由波函數(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。

這個研究方法很自然地貼合多世界詮釋，但對量子力學(xué)的其他基礎(chǔ)性解釋就沒那么有用了。尼爾斯·玻爾或許贏得了20世紀(jì)奪取量子力學(xué)主流解釋的公關(guān)競賽，但休·埃弗雷特似乎已經(jīng)做好了在21世紀(jì)后來居上的準(zhǔn)備。