多世界中的多重人生


Nature 448, 23-24 (5 July 2007) | doi:10.1038/448023a; Published online 4 July 2007

摘要:Max Tegmark主张,如果接受量子物理是广泛适用的观念,就意味着你也应该相信平行宇宙。

几乎所有我的同行都对它有自己的观点,可他们中几乎没有人读过它。Hugh Everett的博士论文的第一版草稿埋藏在《量子力学的多世界解释》这本绝版的书中,而它的缩略正式版于今年庆祝自己的50岁生日。我记得读研究生时在 伯克利的一家小书店中找到它时自己的兴奋,我仍把他看成是我读过的最有才气的书之一。

当Everett跟随John Archibald Wheeler在新泽西州的普林斯顿大学开始他的研究生学业时,量子力学在解释原子领域中已经获得了让人炫目的成功,不过在比如“它的数学框架到底意味着 什么”这个问题上仍有极大的争议。我很幸运,在博士后期间能在普林斯顿与Wheeler讨论量子力学,可我从未有机会与Everett见面。

量子力学不是用经典项,比如所有粒子的位置和速度,来描述宇宙的状态,而是用一种名为波函数的数学对象来描述。基于薛定谔方程,这个波函数在 时间上以一种决定性的作风演化,数学家称之为“幺正的”。尽管量子力学通常被描述为天生随机且不确定的,在波函数演化中没有任何的随机或者不确定性。
   困难的部分在于如何把这个波函数与我们观测的东西联系起来。许多合法的波函数导致了反直觉的情况,比如薛定谔猫:同时具有死和活,处于一种 “叠加”态。在 1920年代,物理学家假定一旦某人做了观测后,波函数就“塌缩”到某任意的且一定的经典输出态,把这个怪异性给解释通了。这个附加项对解释观测有效,但 使得理论不完备,因为没有数学理论确定是什么构成了一次观测──也就是说,什么时候波函数被可认为是塌缩了。

Everett的理论很容易说明,却具有很丰富的推论,其中包括平行宇宙。这个理论可以概况为薛定谔方程在所有时刻都成立;也就是说,宇宙的 波函数从不塌缩。这就是它,没有提到平行宇宙或者世界分裂,它们蕴涵于理论中,而不是事先假定的。他天才的洞察力在于,这个无塌缩的量子理论实际上与观测 是一致的。尽管它预言描述一个经典实在的波函数逐渐演化为一个描述多个经典实在──多个世界──叠加的波函数,观察者主观上经历的这种分裂仅仅只是轻微的 随机性,其几率与波函数塌缩办法算出的一致。

得到接受

人们常说重要的科学发现要经历三个阶段:首先是完全被忽视,然后被野蛮的攻击,最后被用刷子在旁边标记为著名的。Everett的发现也不例外:十年后它才被注意到。但是对Everett来说太晚了,他已经灰心丧气的离开了学术界。

Everett 的无塌缩想法还没有到第三个阶段,但是已经不再象1970和1980年代那样被广泛的摒弃,认为它太疯狂,它渐渐的被更多人接受。1999年在一次关于量 子理论基础的会上进行的非正式投票中,物理学家们给这个想法的票数比其它理论多好多,尽管更多物理学家仍旧没有做决定。我相信上升的趋势是明显的。

为什么变了?来自宇宙暴涨以及弦论的其它类型的平行宇宙预言使人们更能容忍听起来不可思议的想法。新的实验已经在更大的系统中展现出了量子奇异性。最后,有名的退相干过程的发现已经回答了Everett工作中遗留的严重问题。

大个比方,如果这些平行宇宙存在,为什么我们感受不到它们?量子叠加态无法被限制在微观世界,正如大部分量子实验一样。因为你是原子构成的,那么如果原子能够同时以叠加的形式处于两个地方,那你也可以。

突破发生在1970年,来自于一篇H. Dieter Zeh的开创性论文。他表明薛定谔方程自身给出了某种检查机制。这个效应以“退相干”为人所知,其中的细节为Wojciech Zurek,Zeh以及其它人在接下来的十年中揭示了出来。人们发现量子叠加仍旧可以观测,只要他们对世界的其它部分保密即可。在我们的例子中,量子纸牌 不断地与空气分子,光子等碰撞,这些粒子发现它落下时向左还是向右,破坏了叠加的相干性,使得它无法被观测到。退相干理论也解释了为什么类似经典物理的状 态具有特殊待遇:他们最能抵制退相干。

科学还是哲学?

引入波函数随机塌缩概念到量子物理中的主要动机是为了解释为什么我们可以感知可能性而不是奇怪的宏观叠加性。在Everett表明事物会表现 得随机,以及人们发现退相干可以解释为什么我们从未感到任何奇异性,这个动机的大部分都没了。尽管波函数技术从未塌缩到Everett的视角,人们一般都 同意退相干导致了一个看起来象塌缩,闻起来象塌缩的效应。

在我看来,是时候升级许多介绍波函数塌缩作为量子力学基本假定的量子教课书了。塌缩的观念作为计算方法仍旧有效,但是学生应该被告知,破坏薛 定谔方程以便回避后面的困惑,这可能不是一个基础的过程。如果你正在参考一个目录中没有提到Everett和退相干的量子教科书,我建议购买一个更加现代 的教科书。

50年后,我们可以庆贺这个事实,Everett的解释仍旧与量子观测一致,但我们要面对另外一个让人有压力的问题:它是科学还是哲学?关键 在于平行宇宙自身不是一个理论,而是某些理论的一个预言。对一个可以证伪的理论,我们不需要观察和验证它所有的预言──有人会去做。

因为爱因斯坦的广义相对论已经成功的预言了许多我们可以观测的事情,我们对那些无法观测的预言也严肃的看待,比如黑洞的内部结构。类似的,幺正量子力学的成功预言也让科学家严肃的对待它其它的预言,包括平行宇宙。

此外,Everett的理论在未来的室内实验中也是可证伪的:不管他们探测的系统有多大,理论表明他们将无法看到波函数塌缩。实际上,无塌缩 叠加已经在多原子系统中展现过了,比如碳60分子。现在有一些实验组正在尝试在包含10^17或者更多个原子的物体中创造出量子叠加,这与我们人类宏观尺 度接近的不得了。还有全球对建造量子计算机的努力,如果成功的话,它分解数字的速度将能够指数性的快于经典计算机,这实际上就表现为Everett平行世 界中的平行计算机。

鸟瞰

因此Everett的理论是可测的,到目前位置也是与实验相符的。但是你真的应该相信它么?当思考现实的最终本性时,我发现这对于分辨两种看 待物质世界的方法很有用:物理学家的外部视角研究它的数学方程,就像鸟从高空观测风景那样;以及生活在由方程描述的世界的观测者的内部视角,就像被鸟观察 的青蛙。

从鸟的视角看,Everett的多世界理论是简单的。这里只有一个波函数,并且它在时间上光滑地,决定性地演化,没有任何分裂或者平行化。由 这个演化波函数描述的抽象的量子世界包含着巨量的经典平行故事线(世界,连续地分裂和融合,正如许多量子现象缺乏一个经典描述。从它们的青蛙视角,观察着 只能感知这整个实在微小的一部分,它们把经典故事线的分裂当成是量子随机性。

哪个更加基础──青蛙的视角还是鸟的视角?换句话说,哪一个对你更基本:人类语言还是数学语言?如果你倾向于前者,你应该喜欢一个对量子力学的“多话”解释,在那里数学上的简洁会导致波函数塌缩以及排除掉平行宇宙。

但如果你喜欢简洁和纯粹的数学理论,那么你──正如我一样──会支持多世界解释。如果你为此而奋斗,你在正确的队伍中:一般的,已经证明建立一个预言一切我们可以观测的而不附带其它的理论是极为困难的,这不仅仅适用于量子物理。

此外,我们应该理解量子理论感受反直觉,因为进化赐予我们的直觉,只涵盖了对我们遥远祖先有生存价值那方面的物理,比如飞行石块的轨迹。

选择是你的。但是我很担心,如果我们摒弃掉类似Everett理论这样的理论,因为我们无法观察到所有的东西,或者因为它们看起来不可思议, 我们有丧失真正突破的风险,维持我们本能,阻碍扩展我们的视野。对现代听众来说,1920年Shapley-Curtis对是否真有多个银河系(当时的标 准下的平行宇宙)的辩论听起来绝对离奇。

Everett让我们认识到我们的物理世界比我们所想象的更加壮阔,在最近宇宙学中的突破后,他的朴素的建议有可能比50年前更容易让人接 受。我认为Everett唯一的错误是出生得早于他的时代。在下一个50年,我相信我们会更习惯于我们宇宙的怪异行为,甚至会发现它的奇异性正是其魅力的 一部分。

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4 Comments

  1. 这一期nature中有好几篇不错的文章,象你说的many lives in many worlds. 我喜欢的还有surfing the multiverse; see me here,see me there; parallel worlds galore;以及olympic talent.如果你有时间的话,你不妨也看一看。

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  2. 这篇文章太出色了,无论是文笔还是思想都可圈可点。非常感谢翻译者。我把它转载到我们的双螺旋学术沙龙去了。

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  3. Hugh Everett多世界理论:类似相对论 不存在, or 没有一个特别的观察者, 相对于 物理定律;

    similarly, ◾杨 Mills 规范场: 相对与物理定律,不存在一种特出的规范(“相位”) ;

    with 相对论, 1930年英国物理学家保罗·狄拉克从理论上预言了正电子的存在,indicating that 负电子 is not a “特别”的电子;

    I like Max Tegmark, thanks for your introduction

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