平行宇宙的理论可靠吗（理论是怎么回事）

来源丨Nature自然科研（ID：Nature-Research）

作者丨Robert P. Crease

肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）的新书追溯了已经拥有60年历史的多世界理论，本文作者罗伯特·P·克里斯（Robert P. Crease）对此深表赞赏。

《深藏之物：量子世界和时空的出现》

Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime Sean

肖恩·卡罗尔

Oneworld（2019）

在本书的开头，肖恩·卡罗尔引用了伊索寓言中狐狸与葡萄的故事。一只饥饿的狐狸很想吃到从藤蔓上垂下的一串葡萄。即便发现自己够不到，这只狐狸还是拒绝承认失败，并且宣称那些葡萄是酸的，不能吃，然后就离开了。在卡罗尔看来，这个寓言也概括了物理学家如何对待量子力学的那些古怪预言。

20世纪50年代提出的多世界理论（many-worlds theory）认为，平行世界每时每刻都在不断地分叉丨Pixabay

卡罗尔觉得应该适可而止。他认为，按照多世界理论（many-worlds theory），狐狸能吃到葡萄。这一理论由美国物理学家休·埃弗里特（Hugh Everett）在20世纪50年代后期首先提出，在这个理论中，我们所在的宇宙只是众多平行世界中的一个，这些平行世界每一纳秒（nanosecond）都在分支散开，相互之间不会交叉也不会交流。（多世界理论不同于多元宇宙（multiverse）的概念，多元宇宙的观点是在时空的不同区域存在许多自成一体的宇宙。）

六十年过去了，这一理论依然是人类历史上最离奇但又完全合乎逻辑的构想之一，它直接源自量子力学的基本原理，并没有引入其他无关的元素。它已经成为了流行文化的精神食粮，尽管许多以多世界理论为灵感的电影和电视剧到头来还是在摆弄平行世界之间相互接触的桥段，这实际上是对多世界理论的一种藐视，比如2011年上映的电影《另一个地球》（Another Earth）。

在本书中，卡罗尔有力地解释了多世界理论，讨论了其在后埃弗里特时代的演化，以及为什么我们所在的世界是现在这个样子。卡罗尔称埃弗里特的这个概念是“我们观察现实的最佳视角”，很大程度上因为其纯粹的逻辑性。

难以捉摸的量子波

量子力学是现代亚原子尺度物理学的基本框架。它成功地经受了近一个世纪的考验，这其中包括法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）证实量子纠缠的实验，量子纠缠也即某些量子现象的长距离作用。

在量子力学中，世界由两种基本成分组合而成。其一是波函数，也即一种平滑的、可以完全确定的数学表达式，它代表了关于粒子位置和特征的无数种可能性，可以用来描述粒子的信息。其二是波函数的塌缩，也即实现一种可能性并消除所有其他可能性。人们关于波函数塌缩是如何发生的有不同意见——可能是由观察波函数所造成的，或者是波函数遇到经典世界的某些部分引起的。

许多物理学家不假思索地接受了上述物理学图景。实际上，在20世纪20年代由尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）和维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）创立的名为“哥本哈根解释”（Copenhagen interpretation）的概念，一直被物理学家们沿用至今。但哥本哈根解释依然有一些难以全盘接受的因素，比如波函数是不可观测的，预测是基于概率的，以及是什么导致了波函数塌缩。

休·埃弗里特（右二）创立了多世界理论。（图上从左至右分别为：查尔斯·米斯纳（Charles Misner）、黑尔·特罗特（Hale Trotter）、尼尔斯·玻尔和大卫·哈里森（David Harrison））丨Alan Richards/AIP Emilio Segre Visual Archives

我们从塌缩的波函数当中能得到些什么呢？量子力学的方程式确实管用，但是波函数到底是啥是大家争论如何解释量子力学的关键。卡罗尔概述了哥本哈根解释的几种替代方案，以及它们各自的优缺点。

一种选择是由阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）和大卫·玻姆（David Bohm）等人提出的“隐变量”（hidden variables）方法，在这个方法的描述中，波函数只是一个临时变通之道，物理学家最终会找到新的工具取代它。克里斯托弗·福彻斯（Christopher Fuchs）提出了另一种方法，被他称为“量子贝叶斯理论”（QBism，quantum Bayesianism），他认为波函数的本质是主观的。因此，它仅仅指导我们去相信测量结果，而不是亚原子世界本身的真实特征。海森堡晚年的时候提出我们必须改变“现实”概念本身。借用亚里士多德提出的“效能”（potency）概念（比如，给予正确的条件后，橡果就有成为橡树的潜力 ），他认为波函数只代表了“中间”水平现实。

卡罗尔认为，多世界理论是理解量子力学最直接的方法。这一理论接受波函数作为描述现实的工具。实际上，在多世界理论中有且只有一个波函数用来描述整个宇宙。此外，当一个事件发生在我们的世界时，波函数中包含的其他可能性不会消失。相反，新的世界被创造出来，每种可能性都会成为现实。

该理论十分简洁而且符合量子力学的逻辑，所以卡罗尔称之为“勇敢”的方法。他声称，不需要担心那些额外的世界，毕竟我们看不到它们，如果多世界理论是对的，我们甚至不会注意到有什么区别。其他世界与我们自己的世界是相互平行的，所以叫它们“鬼界”似乎也无妨。

猫的影分身

对于物理学家来说，这个理论很有吸引力，因为它解释了许多量子力学的难题。例如，在“薛定谔的猫”的思想实验中，那只猫的“猫生”只是分叉到了不同的世界，每个世界当中有且只有一只盒子里的猫。卡罗尔还表明，该理论为某些复杂现象提供了更简单的解释，例如为什么黑洞会有辐射。此外，该理论可能有助于推动解决现存的物理学难题，例如如何统一量子力学与相对论。

《深藏之物》这本书是科普性质的，它让大众知道物理学家们仍在争论量子力学的含义。卡罗尔让读者得以快速了解量子物理学从马克斯·普朗克（Max Planck）到现在的发展史，并解释了为什么在引入多世界理论之前，人们对于量子力学的解读是如此困难。该书的重头戏是一场关于多世界理论含义的“苏格拉底式对话”，对话双方是一位富有哲思的物理学家和一位拥有科学素养的哲学家，作者设计这个对话的目的是为了扫除一般读者可能秉持的某些直觉性想法。

尽管如此，一般读者可能依旧会对卡罗尔关于“现实”的轻描淡写的处理方式存疑。像许多物理学家一样，卡罗尔认为所谓现实就是一种科学理论的描述。但是凭什么物理学家可以垄断这个概念？凭什么物理学家有权力说其他人（更不用说那些生活在极端情况下的人们，比如难民、士兵和绝症患者）生活在一个不那么基本的现实中呢？是不是我们必须遵循海森堡的指导？也就是说，我们必须依靠哲学家们已经发展了数千年的讨论“现实复杂性”的工具，才能解释为什么狐狸难以吃到那些葡萄吗？

这是多么古怪的想法啊！

原文以The bizarre logic of the many-worlds theory为标题，发布在 2019年 9月 2日《自然》书籍与艺术版块。戳阅读原文浏览英文原文。