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我在这里，我在那里
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Mark Buchanan 文 Shea 译 |
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大约50年前，一个对量子力学标准观点不满的物理系学生提出了他自己的全新观点。 
1957年，一位来自美国普林斯顿大学的年轻物理学家发表了他的第一篇论文——这篇论文当时被没有受到重视，然后他便从学术界消失了。直到他1982年去世（终年51岁）为止，他一直是美国国防工业的一名工程师和分析师。但是一些物理学家却认为，休·埃弗雷特（Hugh Everett）对科学的深远贡献远远超出了他的论文所含盖的范围。他们说，他的第一篇论文为解开量子力学中最久远的谜体之一提供了新的方法。量子理论已经取得了许多巨大的成就，但是物理学家们始终对它的逻辑自洽性表示不满。以薛定谔的波动方程为例，量子理论认为诸如电子这样的微观粒子会具有奇怪的“叠加态”，这会使得它们可以同时处于两个地方。薛定谔方程帮助我们解释了原子的行为，但是对于例如椅子这样由微观粒子组成的宏观物体，为什么我们从来不曾看到一把椅子可以同时出现在两个不同的地方呢？ 20世纪20年代后期玻尔和海森堡在他们著名的哥本哈根解释中提出，我们之所以没有在宏观物体中看到叠加态是因为当我们试图去测量这些叠加态的时候它们坍缩了。而与之形成鲜明对比的是，埃弗雷特提出了另一个想法——叠加态确实也影响着我们这个世界，我们只是没有注意到而已。正如他指出的，量子理论中的数学说明，当我们遇到一个具有叠加态的粒子并且说它在这里在那里的时候，叠加态也会作用在我们自己身上，把我们分成一个看见这个粒子在这里的人和一个看见这个粒子在那里的人。其实从后人的角度来看，正是埃弗雷特提出了在量子物理中一个宇宙可以分裂成并行共存的“多个世界”。 这个想法由于过于奇特而被排斥，同时那个时候许多其他的理论也被提了出来。对此实验也无能为力。批评家认为实验无法把“多重世界”理论和其他的理论区分开。“如果实验不断地证实量子理论，那么我们就会处于一个极为困难的境地，不得不在不同的理论中做出一个决断，”美国哥伦比亚大学物理学家、哲学家大卫·阿尔伯特（David Albert）说。不过支持者却认为，通过不断发现否定哥本哈根解释所需的“坍缩”的证据，实验将有助于澄清各个理论。 2007年底，一些物理学家、哲学家和数学家分别在加拿大和英格兰聚会商讨50年来埃弗雷特理论的现状和未来。“这个理论，”英格兰会议的组织者、牛津大学的科学哲学家西蒙·桑德斯（Simon Saunders）说，“已经拥有了一些支持和反对它的关键论据，并且不久可能就会有一个定论。即使这个定论不是针对这个理论本身的，那也至少可以精确地告诉我们它的优势和不足。” 失去控制 自从20世纪初量子力学成为了解释原子和核物理不可或缺的手段之后，对量子力学本身的解释以及为什么我们不处于叠加态这样一个疑问一直困扰着物理学家。玻尔以及其他早期对量子力学的解释直接把我们的世界分成了经典的和量子的两部分，并且假设量子理论仅仅对后者起作用。根据他们的理论，电子和其他微观粒子会按照量子波动力学运动，直到它们与宏观物体（例如测量仪器）发生相互作用，它们的多个叠加态才会坍缩成一个。玻尔指出用量子相互作用与生俱来的不可控制性可以来解释实际测量中的不可预测性。  [图片说明]：休·埃弗雷特（右）在1957年发表的论文中挑战玻尔对量子力学的解释。 20世纪30年代，匈牙利数学家约翰·冯·纽曼（John von Neumann）以他提出的“坍缩假设”数学化了哥本哈根解释，之后它便成了量子力学中的标准规则。使用这一假设，你就可以精确计算测量时出现不同结果的概率。但是量子理论仍然没有精确地告诉我们为什么以及何时会发生坍缩。尽管取得了这些成功，但是量子理论看上去还是不完整的。“当它们出现在教科书中的时候，”美国拉斯·阿拉莫斯国家实验室的物理学家沃奇克·祖瑞克（Wojciech Zurek）说，“量子理论的公理是互相矛盾的。” 量子与宏观的统一 对于许多物理学家而言，最杰出的爱因斯坦和玻尔在经典和量子世界上的分歧导致了物理学家们对客观世界进行了任意而无法接受的划分。量子理论也应该可以用在经典的测量仪器上，毕竟它们也是由微观粒子组成的。从那时到现在恢复这样的一种整体性成为了量子物理学家们的一大目标。 从20世纪50年代开始，以美国物理学家大卫·波姆为代表，理论家们试图发展出一套自洽的量子理论。波姆提出了所谓的“隐变量”解释，其中的微观粒子一直具有唯一的位置和速度。波姆的理论不需要用到坍缩，但是它不同寻常的数学结构以及显然无法在实验中测量这些隐变量的特性使得它仅仅吸引了少量的物理学家。 在过去的20年里，科学家们也提出了许多种解释。这些解释都与玻尔的相一致，只是更为具体。他们提出修改薛定谔方程，使得不同的叠加态在遇到宏观物体时可以自然而然地快速坍缩成一个，由此为为什么我们没有在现实世界中看到叠加态提供一个更为精确的解释。通过使用自洽的数学方法纳入薛定谔方程中，这些理论不再需要坍缩假设。 埃弗雷特则提供了另一条途径。他认为不会发生坍缩，宇宙中的每一个事物都以薛定谔方程给出的波动力学方式运动。他提出，我们看到的类似坍缩的现象只不过是因为我们本身也是量子世界的一部分，因此也处于不同的叠加态中。埃弗雷特认为，量子理论为现实世界提供了它自己的解释，即宇宙分裂成了多个平行的世界。 “根据这个想法，”牛津大学的大卫·道奇（David Deutsch）说，“我们的宇宙仅仅是更大的多重宇宙的一小部分。我们宇宙中的一切——包括你、我、每一个原子以及每一个星系——在其他宇宙中都有着对应体。” 这三种理论都有着它们各自的支持者，但是对于那些从事量子信息和宇宙学的科学家而言，有越来越多的科学家站到了埃弗雷特一边。“采用这一观点的这些领域可以自洽地把量子理论推向它的逻辑极限，”祖瑞克说，“而正是埃弗雷特给了我们这样一个机会。” 埃弗雷特的想法现在也正在变得越来越普及，部分原因是量子理论物理学家们已经在解决那些以前看似是致命的问题上取得了进展。其中一个问题就是尽管埃弗雷特的理论预示世界分裂成了多个分支，但是其自身并没有清晰地告诉我们这些分支是如何形成的。例如，在标准的量子理论中，处于叠加态的电子如果其速度的定义非常模糊的话，那么它的位置就可以被精确定义，反之亦然。这两种图像不存在谁比谁更准确的说法。类似地，在埃弗雷特的理论中找不到一种明确的方法可以用来识别组成叠加态的多个并存的不同分支。 欺骗行为 20世纪70年代德国海德堡大学的物理学家迪特·泽赫（Dieter Zeh）发展出了一套被称为退相干的理论，之后祖瑞克对其进行了扩展。这个理论认为，由于量子系统与其周围环境的相互作用，它们不会长时间处于叠加态上，而是趋向于“退相干”。其结果是，环境的作用使得量子系统的行为就好像发生了坍缩，而实际上它们却和周围的环境更紧密地纠缠在了一起，以致于没有实验可以探测到它们，而且对于多粒子系统更是如此。 许多物理学家认为，在与退相干结合起来之后，“多重世界”理论会显得更具有吸引力。这是因为退相干可以挑选出宏观物体中常见的态，使得它变得更可靠而且因此变得具有可观测性。这个理论甚至还得到了一些实验的肯定，而且看上去还去除了多重世界理论中的不少不确定性。 另一个埃弗雷特理论中长期存在的问题是概率，这一量子物理的基石。使用坍缩假设，波函数的大小可以用来计算电子位置和速度的概率。但是多重世界由于主张量子系统永不坍缩，因此根本没有概率这一说法。“在埃弗雷特的理论中，”加拿大西安大略大学的物理哲学家韦恩·迈耶弗德（Wayne Myrvold）说，“似乎根本没有概率的容身之地。” 即便如此，通过考虑人脑及其他组织如何记录它们环境的变化，道奇和同在牛津大学的物理哲学家大卫·华莱士（David Wallace）最近提出一种方法可以在埃弗雷特的理论中建立量子概率。 他们使用决策论——一种用于最优化决策的逻辑科学——来研究如果一个位于某个多重世界宇宙分支中的个体试图尽可能精确地预言真实世界的结果，那么他或她该怎么做。他们的结论是，当这些个体进入新的多重世界分支面对新的结果的时候，他们会把概率“分配”到那些分支上，最终会得到和坍缩假设给出的相同的概率。 尽管并不是每个人都对此信服，但是一些物理学家认为道奇和华莱士成功地向世人展示了如何在埃弗雷特理论中自然构建量子概率。“我并不相信它完全能行得通，”迈耶弗德说，“但是我们已经取得了巨大的进展，而且它也不像我曾经想象的那样无法实现。” 更大更好 热衷于埃弗雷特理论的支持者也指出越来越精湛的现代物理实验尽管不断确认了量子理论的预言，但是也可能包含了未知的例外。正如埃弗雷特的理论所预料的那样，使用原子束缚和量子光学技术，实验家们在包含越来越多粒子的系统中观测到了量子叠加态。“多重世界理论正在慢慢地成为物理学中的主流，”美国约克大学的数学家托尼·萨德拜瑞（Tony Sundbery）说，“其中的部分原因是我们看到在没有坍缩假设的前提下量子理论在越来越大的系统中依然成立。” 但是阿尔伯特说，想用实验来证明多重世界理论可能是枉费心机。他指出，所有与多重世界理论一致的实验同时也和量子理论相一致，而且其中还有一些与波姆的隐变量以及其他的一些理论吻合。在实验中观测到波函数的坍缩将会否定埃弗雷特的理论，但是目前还没有观测到这一现象的原因可能仅仅是因为在量子叠加态中控制实验上的困难所造成的。 物理学家们希望，未来的实验通过检验修改的薛定谔方程可以更直接地挑战波函数坍缩的观点。“不幸的是，”阿尔伯特说，“在这个方面，我们的实验能力还远远不够。”尽管一些科学家有着宏伟的蓝图计划在宏观物体——例如在含有100万个粒子的气体——中寻找叠加态坍缩的证据，但是目前量子叠加态实验中粒子个数的最好纪录大约只有1000个。 眼见为实 尽管在2007年底召开的两次会议都是埃弗雷特的支持者主办的，但是会议不会成为“单边会谈”，许多科学家还是会对针对实验检验以及理论本身存在的概念性问题提出他们自己的观点。“即使你接受了‘多重世界’的观点，”牛津大学的物理学家罗格·彭罗斯（Roger Penrose）说，“你还是需要一个自洽的理论来解释我们在这个世界中切实感受到的物理。”他说，缺少了它多重世界理论就会显得本末倒置。 即使是对此态度冷淡的阿尔伯特也对这个领域所取得的理论进展给出了正面的评价，他说：“我个人的猜测是最终它不会成功。但是至少现在人们清楚地知道问题出在哪里。” 桑德斯和其他埃弗雷特的支持者认为，那些反对多重世界理论的人，无论他们是否承认，或多或少是由于他们本能地不喜欢这一非直觉理论的结果。“在埃弗雷特解释下的量子理论非常奇妙。可能正是由于它过于奇妙了，所以使得大多数的物理学家们没有认真对待它，”桑德斯说。但是不管怎么样，无论是从事多重世界研究的物理学家还是从事其他解释研究的物理学家，他们至少都是赞同埃弗雷特论文的核心观点，那就是要极为慎重的对待量子理论。 |
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出自：Nature
发布日期：2007-07-05
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2001-2009 火流星工作组制作
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