為什麼量子力學的「多世界」解釋存在許多問題？

宇宙在每次測量中都分裂成多重實相的觀點，已經日益成為量子力學領域流行的解決方案，但是「多世界解釋」並不連貫。在量子力學的所有解釋方式中，多世界解釋最不尋常，最有吸引力，最引人深思。多世界解釋(MWI)以其最常見的形式表明，我們生活在一個近乎無限的宇宙中，所有宇宙都疊加在同一個物理空間中，但又相互獨立演化。在許多宇宙中，存在著你和我的複製品，彼此幾乎沒有什麼區別，但「我」卻引領著其他生命。關於量子力學解釋的爭論以其激情著名，因為無法用客觀證據解決分歧已經成為常態。但當多世界解釋出現時，這些激情可能會變得非常極端，以至於我們必須懷疑，在這個問題上的投入是否會遠遠超過解決一個科學難題的投入。

博科園-科學科普：多世界解釋在性質上不同於量子力學的其他解釋，雖然它很少被承認或認同。這種解釋不僅涉及到量子力學本身，而且還涉及到我們認為知識和理解在科學中的意義。它也向我們的認知發出挑戰——最終我們會承認或接受什麼樣的理論作為認識世界的一種主張。在1930和40年代，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（ Niels Bohr）闡明並完善了哥本哈根解釋（被廣泛認為是量子力學的正統觀點）之後，量子力學的中心問題似乎是觀測或測量造成的神秘破裂，也就是平常所說的「波函數崩塌」。波函數是一個數學表達式，它定義了量子系統的所有可觀測狀態，例如粒子的各種可能位置。直到測量完成，波函數崩塌沒有理由將任何程度的真實性歸因於任何的可能狀態。

圖片：Olena Shmahalo/Quanta Magazine

並不是說量子系統實際上處於這些狀態中的一種，但我們確實不知道是哪種；我們可以自信地說，它不是這些狀態中的任何一種，而是被波函數本身恰當地描述，在某種意義上，波函數允許它們全部都是觀測結果。那麼當波函數崩潰時，它們都去了哪裡？乍一看，多世界解釋看起來像是對神秘消失行為的一個令人愉快的簡單回答。多世界解釋道：除了我們的感知，所有的狀態都不會消失；本質上是我們把波函數完全消除了。但是玻爾和同事沒有把波函數分解成圖片，只是為了讓事情變得困難，這樣做是因為這似乎就是事實。當我們進行測量時，確實從量子力學提供的許多結果中得到一個結果。

這一解決方案由年輕物理學家休·埃弗雷特三世(Hugh Everett III)在1957年的普林斯頓大學(Princeton)博士論文中提出，旨在解決「測量問題」，只使用我們已經知道的東西：量子力學。

為了將量子理論與現實聯繫起來，似乎波函數需要崩塌。所以埃弗雷特所說的是現實概念是錯誤的,只是認為測量結果單一，但事實上它們都會發生,只看到這些現實中的個體，其他的「我」也獨立存在。實際上這意味著整個宇宙是由巨大的波函數描述的，它包含了所有可能的實相。「宇宙波函數」，正如埃弗里特在他的論文中所稱，是以構成粒子的所有可能狀態的組合或疊加為出發點。隨著它的發展，其中一些疊加分解，使某些實相彼此分離開來。從這個意義上說，世界並不是通過測量而被「創造」。嚴格地說，我們不應該談論世界的「分裂」(儘管埃弗里特是這樣做的)，我們應該談論揭示兩個現實，而這兩個現實以前只是單一現實可能發展成的未來。多世界解釋與多元宇宙假說不同，多元宇宙假說設想的是其他宇宙，它們在不同的大爆炸中誕生，在物理上一直與我們自己的宇宙無關。

1957年美國物理學家休·埃弗雷特三世在普林斯頓大學的博士論文中提出了量子力學的多世界解釋。圖片：Wikipedia

當埃弗雷特發表他的論文，同時在一份受人尊敬的物理雜誌上發表這一觀點時，在很大程度上這一觀點被忽視了。直到1970年美國物理學家布萊斯·德維特(Bryce DeWitt)在《今日物理學》(Physics Today)上發表了一篇關於這一想法的闡述後，人們才開始注意到這一觀點。德維特的仔細分析使得埃弗雷特的論點顯得有點滑稽，如果量子測量的所有可能結果都真實存在，那麼它們在哪裡，為什麼我們只能看到(或認為我們看到)一個呢？德威特認為，測量的其他結果必須存在於一個平行的現實中：另一個世界。你測量一個電子的路徑，在這個世界它似乎是這樣走的，但在另一個世界它是那樣走的。這就需要一個平行的，完全相同的裝置讓電子穿過。更重要的是觀測者也必須平行，因為只有通過測量，疊加狀態才能走向「崩塌」。一旦開始，複製過程似乎沒有盡頭。

你必須圍繞著那個電子建立出一個完整的平行宇宙，除了電子去的地方以外，所有方面都完全一樣。雖然避免了波函數崩塌的複雜性，但代價卻是創造出另一個宇宙。這個理論並不像科學理論通常預測的那樣準確地預測出另一個宇宙，這只是從另一個電子路徑也是從真實的假設中推導出來。當你意識到測量是什麼時，這一幻想就會變得非常誇張。在一種觀點中，一個量子實體和另一個量子實體之間的任何相互作用——一個從原子反射過來的光子，都可能產生不同的結果，因此需要平行宇宙。正如德維特所言：每一顆恆星、每一個星系、每一個宇宙遙遠角落發生的量子躍遷，都在把地球上的世界分割成無數個複製品。物理學家、多世界支持者馬克斯·泰格馬克（Max Tegmark）說：在這個多元宇宙中，所有可能狀態每時每刻都存在；這意味著，至少在流行觀點中，物理上的一切可能（或正在發生）都在一個平行宇宙中實現。

在進行測量之後，有兩個(或更多)版本的觀察者。泰格馬克表示：做決定的行為」被視為一種度量，從各種可能性中產生一個特定結果，導致一個人分裂成多個副本。從某種意義上說，這兩份副本都是最初觀察者的複製品，都經歷了一個獨特、平穩變化的現實，都相信這是「真實世界」。起初，這些觀察者在所有方面都相同，除了一個觀察到電子路徑(或正在被測量的任何東西)和另一個觀察到的路徑，宇宙以各自的方式運行，以一個持續不斷的發展軌跡展開。也許可以看到為什麼多世界解釋是量子力學的解釋，並且贏得了所有的關注和宣傳。它告訴我們有多個自我生活在其他宇宙中，很可能實現了我們永遠不會實現（或從不敢嘗試）的夢想。對於每一部悲劇，就像格溫妮絲·帕特洛在1998年拍攝的《推門》中飾演的角色被一輛貨車撞倒一樣，都有救贖和勝利。

誰能抗拒這種想法呢？

當然還有一些問題要問，首先關於多個世界的事情，分裂是如何發生的？現在看來，這取決於微觀量子事件如何通過一種被稱為「退相干（decoherence）」的過程產生宏觀的經典行為，在這種過程中，量子系統的波狀狀態會因與環境的相互作用而變得不協調和混亂。平行量子世界一旦被解碼就會分裂。根據定義，解碼的波函數彼此之間沒有直接的因果關係。由於這個原因，20世紀70年代和80年代發展起來的退相干理論為以前相當模糊的偶然性提供了清晰的理論基礎，從而幫助恢復了多世界解釋的活力。這一觀點認為分裂不是突發事件，在博爾赫斯(Jorge Luis Borges)的小說《小徑分岔的花園》(the Garden of Forking Paths)中，人們普遍認為不同世界的出現類似於搖晃沙拉醬將油和醋分離的過程。

那麼詢問有多少個世界就變得毫無意義。正如物理學哲學家戴維?華萊士(David Wallace)所表達的那樣，這個問題更像是在問：你經歷過幾次昨天？你可以辨認出其中的一部分，但你不能完全列舉出來。我們可以更精確地提問，是什麼現象導致了分裂。簡而言之它就在我們的身體內部，每一秒鐘至少有許多分裂事件影響著我們每一個人，就像我們的分子在同一時間內相遇一樣，這些數字簡直難以計算。多世界解釋的主要吸引力在於它不需要改變或增加量子力學的標準數學表示。沒有神秘、特別、突然的波函數崩潰。根據定義，它預測的實驗結果與我們觀察到的完全一致。但如果認真對待它，我們很快就會明白，量子力學的概念性和形而上學問題並不會因為假設的簡單性和預測的一致性而被消除。

多世界解釋無疑是最極端的解釋，一些物理學家認為這幾乎是不證自明的荒謬;與此同時，埃弗雷特（everettian）經常堅信這是思考量子力學最符合邏輯、一致的方式。他們中的一些人堅持認為，這是唯一可信的解釋。對於古希臘哲學家戴維?多伊奇(David Deutsch)來說，這實際上根本不是量子理論「解釋」。這就是量子力學，唯一令人驚訝的是，這仍然有爭議。我認為多世界解釋問題是壓倒性的，不是因為它一定錯誤，而是因為它們使它變得不連貫。根本無法有意義地表達出來。我試圖總結這些問題，但首先，讓我們放棄一個錯誤的反對意見。有人批評多世界解釋的美學基礎。人們反對其他無數宇宙的存在，其他國家的歷史嗎——我從未存在過的世界。

老實說，這種反對被正確地駁回了，理由是：冒犯一個人的正義感並不能作為拒絕一種理論的理由，我們有什麼資格明確指出世界應該怎樣行事？羅蘭?歐尼斯表示：每一個量子「測量」都衍生出一個世界，這一觀點對量子事件產生的微小差異給予了過分的重視，彷彿它們每一個對宇宙都至關重要，這與我們通常從物理學中學到的相反：在更大尺度下發生的事情中，大多數細微細節都沒有任何區別。但是多世界解釋最嚴重的問題之一是它對自我概念的影響，分裂產生我的複製品意味著什麼？布萊恩·格林是一位著名的物理學普及專家，他有艾弗特式的傾向，他簡單地堅持說：每一版本都是你。你只需要拓寬視野，超越你對「你」的狹隘理解。每個人都有自己的意識，所以每個人都相信自己是『你』，真正的『你』是他們的總和。

這個想法有一種誘人的刺激。但事實上，幾百年前的多佩爾邦格比喻使我們有準備地接受它，結果，關於我們對所謂的複製品的認知水平往往非常淺薄。我們對《星際迷航》的某一集並不感到驚訝，而且被其中的圖像吸引。那些「我」聽起來很過激，同時很容易被認作小說和電影的情節線。泰格馬克談及他的複製品時說道：儘管我從來沒有遇到過平行世界的馬克斯；但他們分享我的價值觀，我的感受，我的回憶，他們比兄弟們更接近我。但事實上，這幅浪漫的畫面與多世界解釋的現實關係不大。「量子兄弟」是一個無限小的樣本，精心挑選出來以與我們流行的幻想一致。那麼，那些從瑣碎到徹底變革的「複製品」又如何呢？」

物理學家列弗·瓦伊德曼(Lev Vaidman)對量子年輕性問題進行了相當認真的思考。目前在不同的世界裡有很多不同的『Levs』，但現在說有另一個『我』毫無意義有些不妥。在這些不同世界裡，有與我(分裂時)完全相同的存在，我們所有人都來自同一個源頭——現在的『我』。每時每刻的「我」都是通過對他身體和大腦狀態的完整經典描述來定義的，但是這樣一個「我」永遠不會意識到它的存在。意識依賴於經驗，而經驗並不是瞬時屬性；它需要時間，尤其是因為大腦的神經元本身需要幾毫秒的時間來啟動。你不能在一個每納秒瘋狂分裂無數次的宇宙中「定位」意識，就像你不能把一個夏天放在一天里一樣。有人可能會回答說，這無關緊要，只要有一種貫穿所有分裂的連續性的感覺就可。但如果不是在一個有意識的實體中，這種知覺能存在於什麼地方呢？

如果意識在量子多重宇宙中以某種方式蜿蜒前行，那麼我們就不得不把它看作是某種非物理實體，不受(量子)物理定律的影響。因為沒有其他辦法，它怎麼能這樣做呢？大衛·華萊士是最具獨創性的作家之一，他認為純粹從語言角度來看，「我」的概念只有在身份/意識/心靈局限於量子多元宇宙的一個分支時才有意義。由於尚不清楚這種情況如何發生，華萊士可能無意中證明了多世界解釋並不是在鼓吹「多重自我」。相反，它正在瓦解自我的整個概念，否定了「你」的任何含義。我不希望任何人認為我被這事冒犯了。但是，如果多世界解釋犧牲了對自我進行有意義思考的可能性，我們至少應該承認這一點，而不是用「量子兄弟姐妹」的圖像來掩蓋它。儘管如此，科幻小說中關於「複製量子自我」的設想還是帶來了一些新奇、不可否認的娛樂畫面。

是否可以保證分割實驗量子測量過程的結果，可以想像做一個「量子分配器」，通過這種轉換確保了旋轉狀態的初始疊加被完全解碼為經典結果。只要按下設備上的按鈕，就可以隨時進行測量。每次你採取這樣的辦法後，兩個截然不同的「你」就會出現。那我們能夠利用這種力量來創造世界和自我嗎？可以通過玩量子俄羅斯輪盤賭成為億萬富翁。量子分裂器在你睡覺的時候被激活，如果撥號盤向上顯示，那麼你醒來的時候就會得到十億美元。如果它表現出來，你就會在睡夢中毫無痛苦地走向死亡。我想，雖然有很少人會接受拋擲硬幣的觀點，但一個意志堅定的人應該會毫不猶豫地使用量子分離器。因為在情況下，你醒來後會得到現金是肯定的。

當然只會有一個「你」醒來，其他人已經完全死去，然而你並不會知道。當然也有一部分人會因擔心自己走向死亡，而選擇放棄玩這把遊戲。但使生活並變得富有也是絕對肯定的。你不理解那是什麼意思嗎？你當然理解。這個說法，用物理學家肖恩卡羅爾(Sean Carroll)在另一種情況下恰如其分的話說，就是「認知不穩定」。儘管如此，有些人還是試圖闡明一個觀點。他們認為儘管所有結果都很確定，但任何觀察者都有理由認為某一特定結果的主觀概率與世界波動函數的振幅成正比，或者瓦德曼所說的世界的「存在度量」。這是一個誤導人的術語，因為沒有任何意義的許多世界存在概率極低。對於最終出現在任何給定世界的「自我」來說，這一切無關好壞。儘管如此，我們應該理性地『關心』分裂後的世界，以這種方式來衡量存在。

在此基礎上，他認為量子玩俄羅斯輪盤賭一次又一次(甚至一次，如果有一個非常低的測量存在「好」結果)應被視為一個壞主意，因為列弗死的世界尺度將遠遠大於活著的列弗世界尺度。這可以歸結為多世界解釋中概率解釋，如果所有結果都是100%發生，那量子力學概率特性又會如何呢，為什麼兩個(或者1000個)相互排斥的結果都有100%的可能性？關於這個問題，有大量未解決的文獻，一些研究人員認為這是該觀點的立場問題。但我想錯了，很多討論都有假設，這個問題與自我概念無關。試圖解釋多世界解釋中概率的出現可以歸結為量子概率就是量子力學在意識限於一個世界時的樣子。正如我們所看到的，實際上沒有任何有意義的方式來解釋或證明這種限制。

想像一下，觀察者愛麗絲正在玩一個簡單拋硬幣賭博遊戲的量子版本，沒有什麼比量子俄羅斯輪盤賭更激烈或更情緒化的了，它取決於一個原子自旋狀態的測量，而原子的自旋狀態是上下50:50疊加。如果數字上升，她的錢就會翻倍。如果失敗了，她會失去一切。如果多世界解釋正確，這個遊戲似乎毫無意義，因為愛麗絲肯定會贏也會輸。她說:「是的，但我最終會在哪個世界迎來結束？」在某種意義上，一旦進行了測量，就會出現在拋硬幣前的「她」中。現在我們來研究睡眠技巧，在測量之前，愛麗絲會先進入睡眠狀態。兩個房間都有一個箱子。其中一個是她的兩倍，而另一個為空。當她醒來時，如果不打開箱子，她就無法判斷箱子里是否有中獎的錢。但她可以意味深長地說，50%的可能性有獎金。更重要的是，這難道不是一個有意義的概率嗎？

菲利普·鮑爾《超越怪異:為什麼你認為你所知道的量子物理的一切都是不同的》（Why Everything You Thought You Knew About Quantum Physics Is Different）一書的作者。圖片：Richard Haughton

這裡的概念是，在多世界解釋中確定發生的量子事件仍然可以在觀察者中引出概率信念，僅僅是因為他們不知道自己在哪個分支上。假設愛麗絲小心翼翼地說:我將會有這樣一種體驗，我醒來時，發現房間里有一個箱子，裡面有50%的幾率裝滿獎金或空著。埃弗里特主義者會說愛麗絲的話正確無誤，因為這是一種理性信念。但如果愛麗絲說：我的經驗告訴我，我醒來時發現房間里有一個箱子，而這個箱子有百分之百的可能為空，埃弗雷特的支持者也必須接受這一說法，認為這是一種真實而理性的信念，因為最初的「我」在未來必須適應這兩種信仰。以前的愛麗絲不能用量子力學來預測會發生什麼，因為在任何時候，除了意識存在(在瘋狂分裂的宇宙中，意識不存在)之外，沒有任何邏輯方式來談論「她」。

從邏輯上講，我們不可能把愛麗絲之前的知覺和之後的知覺聯繫起來，「愛麗絲」就消失了。當你否認代詞有任何連續性時，你不能援引「觀察者」來進一步論證你的論點。多世界解釋真正否認的是事實存在，它用一種偽事實經驗取代了它們(我們認為這已經發生了，儘管它也發生了)。這樣做就消除了我們可以體驗、已經體驗或正在體驗的任何連貫概念。我們可能會合理地懷疑，剩下的東西是否有任何價值、任何意義以及這種犧牲是否值得。每一個科學理論(至少，我想不出一個例外)都是一種公式，用來解釋為什麼世界上的事物是我們所認為的那樣。這種理論必須恢復我們所感知的現實的假設，通常是如此明顯，以致於它可以不言而喻。進化論或板塊構造學理論不需要我們身臨其境去檢測，我們認為事實就是如此。

但是多世界解釋拒絕批准，當然它解釋了為什麼看起來「你」像在這裡觀察電子自旋是向上的，而不是向下的。但實際上它並沒有讓我們回到基本真理。正確地理解，既沒有事實，也沒有你去觀察它們。它說我們作為個體的獨特體驗不僅僅是一點點不完美，一點點不可靠和模糊，而是完全的幻覺。如果我們真的追求這個想法，而不是假裝它給了我們量子兄弟，會發現自己無法說出任何可以被認為有意義的真理。我們不僅僅停留在語言上，甚至否認語言有任何代理。多世界解釋如果被認真對待的話，結果不可想像。它的影響破壞了對世界的科學描述，其嚴重程度遠遠超過任何競爭對手。多世界解釋告訴你根本不要相信經驗主義：它摧毀了任何關於觀察者可能是什麼的可信描述，而不是將觀察者強加於場景之上。有些人堅持認為這不是問題，你不應該被它困擾。

然而我極力反對多世界解釋，與其說是為了摧毀它，不如說是為了展示它的缺陷，一旦缺陷暴露出來，就會具有啟發性。就像哥本哈根解釋一樣，它應該被重視，因為它迫使我們面對一些棘手的哲學問題。量子理論堅持：在基本層面上，世界無法為所有表面上似乎應該有一個問題的問題提供明確的「是/否」實證答案。對一些人來說，哥本哈根解釋平靜地接受這一事實似乎太不令人滿意。多世界解釋是一種通過同時承認兩者來拯救「是/否」的熱情嘗試。

但最後如果你說一切都是真的，那相當於你什麼都沒說。我們不必害怕一種科學觀點會改變我們對宏觀現實的看法。但是當我們認真去追求它時，這種觀點就會顯得幼稚和難以言喻，而這種觀點並不能實現科學的功能。那麼多世界的價值在於，關閉一條簡單的出路；為了發現自身處於死胡同，承認他們是值得的。但是坐在那裡堅持說我們已經找到了出路沒有意義，仍需要回去繼續尋找。

博科園-科學科普｜文：Philip Ball/Quanta magazine/Quanta Newsletter

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