真的有平行世界吗？

光子盒研究院出品

如果你是科幻电影的粉丝，你可能对平行宇宙的概念很熟悉——平行宇宙假设存在着不同版本的自己。尽管这听起来与现实相去甚远，但这是科学家们一直在思考的问题。那么小说和科学到底有多契合呢？

多世界解释是物理学中支持存在多元宇宙概念的一种观点。它源于我们理解量子力学的方式，它违反了我们日常世界的规则。虽然这是无法验证的，并且被认为只是一种解释而不是科学理论，但许多物理学家认为这是可能存在的。

被称为波函数的基本量子方程显示了一个粒子存在于许多可能的位置，而每个位置有不同的概率。如果你试图观察粒子来确定它的位置——物理学中称为波函数的“坍缩”——你会发现它只在一个地方。但是粒子实际上占据了波函数允许的所有位置。

这种量子力学的解释很重要，因为它有助于解释一些逻辑无法回答的量子悖论，比如为什么一个粒子可以同时出现在两个地方。虽然这对我们来说似乎是不可能的，因为我们感受到的时间和空间是固定的，但从数学上讲它是叠加的。

新南威尔士大学副教授Sarah Martell说：“当你在量子物理学中进行测量时，你只测量了一种可能性。我们可以在数学上处理这个问题，但从哲学上讲，世界不再是可预测的。如果你不拘泥于哲学，你只需要继续学习物理。但如果另一种可能性是真的呢？这就是多元宇宙想法的由来。”

就像许多科幻小说中描绘的那样，多世界表明我们的现实只是众多世界中的一个。只要我们做出行为，无论是分子运动，还是你决定吃什么或是你选择的职业，宇宙就会分裂或分支到其他宇宙，。

在物理学中，这可以通过薛定谔的猫的思想实验得到最好的解释。在多世界解释中，当盒子被打开时将分裂成两个观察者，一个观察者看着一个有一只死猫的盒子，另一个观察者看着一个有一只活猫的盒子。

一个版本的你测量一个结果，一个版本的你测量另一个结果。这样，你就不必解释为什么会产生一个特定的概率。只是所有可能发生的事情，在某个地方确实发生了。

01

量子多元宇宙

提出多世界解释的是一位叫埃弗雷特的年轻人。1930年，埃弗雷特(Hugh Everett III)出生在美国华盛顿特区。

而同年举办的索尔维会议上，爱因斯坦提出了著名的光子盒思想实验，以此来证明量子力学歌本哈根解释是不完备的，但玻尔见招拆招，成功应对了爱因斯坦的刁难，从此以后，哥本哈根解释成为量子力学的主流理论。

上世纪三十年代，是物理学界群星璀璨的时代，但埃弗雷特的童年是苦涩的，7岁那年遭遇父母离异，不久后母亲离世，同时又赶上美国经济大萧条和二战，生活极其艰难。

不过这位未来物理学大厦的撼动者在艰难的环境中锻炼出了坚强的毅力，并且从小就表现出了超乎常人的智力以及对自然世界浓厚的兴趣。1942年，刚刚满12岁的埃弗雷特给爱因斯坦写信，询问支撑宇宙的究竟是某种随机性的东西还是一致性的东西？

很快，他收到了爱因斯坦的回信：“亲爱的Hugh，不存在不可抗拒的力，或者固定不移的物体。但是，似乎存在着一个非常固执的男孩已经成功地为了这一目的突破了由他自己创造的难题。”

1950年，埃弗雷特进入华盛顿的天主教大学攻读化学专业，三年后顺利获得学士学位，尽管家庭并不富裕，但是他梦想着到普林斯顿大学继续深造，爱因斯坦就居住在普林斯顿。

在美国国家科学基金会的资助下，埃弗雷特如愿进入普林斯顿大学，但他必须按照基金会的要求进入数学系研究博弈论。兴趣使然，埃弗雷特还额外选修了物理系的电磁学和量子力学相关课程。直到1954年，埃弗雷特才成功转入物理系，在这里开始了他真正的科学生涯。

埃弗雷特的导师是著名物理学家惠勒（John Wheeler）。惠勒曾经做过玻尔的博士后，与玻尔合作发展出核裂变理论，并且作为首席科学家参与过曼哈顿计划。

埃弗雷特也经常和他的室友彼得森（Aage Peterson）一起讨论。彼得森是玻尔的助手，当时正获得了一个机会在普林斯顿进修、学习。也就是在这些讨论、争执中，埃弗雷特的思想逐渐成熟，并最终形成新的诠释。

埃弗雷特

1955年夏天，埃弗雷特将他关于量子力学的思考写成了一本长达137页的手稿。在惠勒的鼓励和要求下，埃弗雷特决定把这个研究深入下去，后来命名为《宇宙波函数理论》（The Theory of the Universal Wave Function）。

埃弗雷特对量子力学的研究是基于测量难题的重新思考。在著名的双缝实验中，人们发现了一个电子通过双缝后会形成干涉条纹，似乎表示一个电子能同时穿过两条缝隙。

于是有人说，电子有没有同时穿过两条缝隙测一下就知道了。然后更诡异的事情发生了，在测试中两个缝隙边上的探测器从来没有同时响过，而且放上一个探测器后，干涉条纹就消失了。

双缝电子干涉实验

哥本哈根学派将这种现象解释为波函数坍缩，在被测量之前，电子处于“既是此，又是彼”的叠加态，一经测量，就按照一定的概率，坍缩到一个固定的本征态，回到经典世界。

至于为什么会坍缩，哥本哈根学派没有给出答案，他们认为微观世界与宏观世界是截然分开的，波函数坍缩只适用于微观世界，并且是微观世界的内在本质。

这样的解释很难让包括爱因斯坦、薛定谔在内的物理学家难以信服，但玻尔凭借他的影响力仍然维持了学术权威。不过到了50年代，这种状况开始改变。

1952 年，年轻的美国物理学家玻姆（David Bohm）提出量子力学的隐变量解释，在物理学界引起了极大的反响，对哥本哈根解释造成了极大的冲击。波姆也曾在普林斯顿任教，他编写的量子力学教材是埃弗雷特关于量子问题思考的主要来源。

埃弗雷特认为，正统解释中的波函数塌缩是不必要的观念，并重新给出了量子力学的相关态表述。他假设，所有孤立系统的演化都遵循薛定谔方程，波函数塌缩从不发生。

埃弗雷特把观测者、测量系统和被测量系统整体看做一个量子系统，并且用一个宇宙波函数来描述，这样宏观物体也纳入了量子体系中。

同时在这个假设下，观测者的波函数，会在每次测量后发生分叉，宇宙波函数会包含叠加态的所有分支，也就是说叠加态的每种可能都会实际的发生。观测者在每测量一次之后世界就发生了一次分叉，每个平行的世界仅能感觉到发生在自己世界中的一个结果。每个分支独立存在，完全不受其他分支的影响。

比如一个处于叠加态的电子有上旋和下旋两个状态，在一次测量后，一个观测者看到电子是上旋状态，这并非波函数的坍缩，而是分裂成了两个世界，在另一个平行世界，观测者看到电子是下旋状态。每个观测者仅能观测到自己所处世界中的那个状态，每个世界也同样真实存在。他称这种解释为相对态解释。

埃弗雷特在薛定谔方程的基础上，为相关态解释构建了严密的数学结构以及逻辑形式，但是作为他理论的一个推论，平行宇宙的假设无法被人们接受，几乎所有科学家都认为这是天方夜谭。没人能够相信，仅仅是看了它一眼，一个小小的电子就使得宇宙发生剧烈的改变。

当惠勒看到埃弗雷特的论文后，也开始担忧了起来。“老实说，我完全没信心将它拿给玻尔看，因为它几乎是完全不可理解的。”而且在看到“观测者在测量过程中分裂”时，惠勒在批注中写道:“分裂? 换一个更合适的词”。

惠勒虽然完全理解埃弗雷特工作的重要性，但是他完全明白冒昧的挑战权威意味着什么，并多次强调埃弗雷特的理论是对哥本哈根解释的补充而不是背叛。惠勒告诉埃弗雷特，要想被学界接受就必须做出必要的让歩。

1957年3月，埃弗雷特接受了惠勒的建议，对论文原稿进行了大量删剪和修改，仅保留了原来三分之一的内容，最终完成了他36页的博士论文。埃弗雷特做出了退让，但是在内心一直对哥本哈根解释表示怀疑。

于是1959年3月，在惠勒的帮助下，埃弗雷特到哥本哈根拜访玻尔并试图和他讨论自己的理论。但是这段经历，对埃弗雷特而言是一个彻头彻尾的灾难。

在玻尔等人看来，这只不过是异端邪说。玻尔的追随者罗森菲尔德在谈及这次拜访时，形容埃弗雷特愚蠢到无法言表的程度。六个星期后，埃弗雷特极其失望地离开了哥本哈根，从此再也不想提起这段灰暗的记忆。

心灰意冷的埃弗雷特远离了理论研究，成为了美国国防部的一名工程师。很少有人再讨论他的理论甚至连他的老师都不愿再提及。

02

多世界解释的继承者们

埃弗雷特发表完他的“阉割版”论文后，彻底远离了学术界。到1973年，埃弗雷特的完整论文才重见天日。

埃弗雷特的好友、物理学家德维特（Bryce DeWitt）及其学生格拉汉姆（Neill Graham）共同整理出版了一套论文集《量子力学多世界解释》，其中收录了埃弗雷特早期的完整论文。

后来，德维特和惠勒试图邀请埃弗雷特重新回到学术界继续他的研究，埃弗雷特本人也非常期盼，但是由于多方面原因，终未成行。嗜烟和酗酒等不良习惯对他的身体造成了难以治愈的侵害，1982年7月19日早晨埃弗雷特死于突发性心脏病。

德维特将埃弗雷特的相对态解释发展为多世界解释，并给出了更为清晰的表述：在测量过程中,由初始波函数描述的世界分裂为许多个相互不可观察但同样真实的世界分支,它们中的每一个都对应于整个系统叠加态中的一个确定的成员态。

1970年德国海德堡大学的泽赫（Dieter Zeh）首次清晰地阐述了退相干（decoherence）理论。退相干是指系统波函数的各个分支之间的相干性被破坏。

根据退相干理论，当系统与测量仪器和外界环境相互作用后，就会发生退相干过程。这样就可以解释为什么我们只能感知到彼此已无相干性的经典分支，而无法感知具有相干性的量子叠加态。

到了1985年，牛津大学量子计算中心的物理学家德义奇（David Deutsch）对多世界解释做出了进一步的完善。他用数目不变的世界出现差别来代替世界不断分裂的说法，也就是说存在一些完全平行的世界。

德义奇认为，这些数目不变的平行宇宙在相同的时间和空间中并存着。它们与我们共享同样的时间和空间。这些不同的平行世界作为一个公共的物理实体的一部分而被关联在一起，而这些纠缠在一起的所有世界的集合就是所谓的物理实在。

真的存在平行世界吗？

关于多世界理论，美国物理学家莫拉维克（Hans Moravec）和马切尔（Bruno Marchal）还曾在80年代末提出了一个令人毛骨悚然和啼笑皆非的思想实验——量子自杀实验，堪称真人版的“薛定谔的猫”。

这个实验的设定非常简单，利用一个放射性物质的衰变与否来控制一把手枪的扳机。如果放射性物质衰变，那么手枪发射子弹，杀死这个人。如果放射性物质没有衰变，那么手枪不会发射子弹，人就会活下来。

那么根据多世界理论，就会有两个平行宇宙，分别出现这两种不同的情况。总会有那么一个平行宇宙，这个自杀的人是活着的。然后我们让这些平行宇宙的这个活下来的人继续做这个实验，还是会有一些平行宇宙中的这个人活了下来。这样对于整个宇宙来说，这个人是无法完成自杀的。相应地，在“薛定谔的猫”实验中，猫也是永生的。

多世界解释似乎非常难以理解，世界在每一次测量后都发生一次分裂，迭就意味着仅仅一次在亚原子水平的测量就会凭空的创造出一个世界。难道测量可比上帝？那创造也太简单了。

但是以德义奇为代表的多世界解释的支持者认为，真实的世界远比它显示出来的要大，而且它的大部分都不可见。由于我们生存在特定的维度，特定的空间中，人的感官也只是局限在一个一个很小的范围，因此，我们先天的局限限制了我们从经验和直观认识宇宙全貌的可能。

德义奇说：“如果说我们认识的世界就是全部，那只是出于人类的自大。”

如今，多世界理论己经成为了一个重要的量子力学解释，越来越多的物理学家开始支持这一理论。

1988年，政治学者L. D. Raub对72位宇宙学家和量子物理学家进行了一次关于多世界解释的调查。其中认为“多世界解释是正确的”比例为58%，“不同意多世界解释”的比例只有18%。

1988年关于多世界解释的看法调查

1999年7月，在剑桥牛顿研究所举行了一次关于量子计算的会议，其间物理学家们对量子力学解释再一次进行了投票表决。其中，坚持多世界解释者为30人；哥本哈根解释为4人；修正的量子动力学有2人；隐变量解释有2人；其他解释(包括未决定者)有50人。

就连埃弗雷特的导师惠勒也在晚年改变了自己的观念。2001年，惠勒和泰格马克(Max Tegmark)发表了一篇纪念量子发现一百周年的文章。他们认为，多世界解释已经取代了正统的哥本哈根解释，而成为了大多数物理学家都认可的量子力学的新的正统解释。

不知道此时90岁高龄的惠勒，是带着怎样复杂的心情，来回忆自己当年那位被视为异端的天才学生。

相关阅读：

每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！

你可能会错过：