量子力学的多重历史解释

量子力学是实验推动的，为了解释实验数据，建立数学方程。这些方程在应用中达到了令人惊异的准确度，但他们到底揭示了怎样的一幅世界图景，却一直争论不休，而且令人困惑。

从普朗克发现量子，已经过去了115年，量子的基本特性－不确定性已经被认为是物质世界的本质之一，但对量子论，尤其是不确定性的解释，仍不为绝大多数人所接受。对量子物理的科普，大多还停留在初创时的哥本哈根（薛定谔的猫）和多重宇宙解释上。其实随着量子论的发展，对不确定性的解释已经更加深刻了，这就是今天介绍的多重历史（也叫路径积分）解释，简介如下：

如果我们单纯谈论微观粒子，那么它们处于多种不确定性的叠加态，我们只能计算其概率。粒子随时间变化的历史路径，也在同时经历多重历史。但当我们关注某种复杂的特征，比如薛定谔猫的死活时，我们是在关注两族粒子的历史，一族是猫死，另一族是猫活。这时，除猫的死活特征外，两族粒子的多重历史相互抵消了，猫的死活成为确定态，猫不会经历死和活的多重历史，如果猫活，那么猫死的历史就没有发生，反之亦然。

对于所有粒子的集合（就是宇宙）来说，在一个时间段，每一个粒子都同时经历了多重历史，只是因为我们关注的问题都过于复杂和宏观，所以粒子的不确定性历史抵消了，我们看到的宏观特征都是确定的结果。当我们在实验中观察微观粒子状态，我们也只能关注某一宏观特征，如照片图形、仪表指针等，所以不确定性的多重历史相互抵消了，观测到的是确定结果。

这些不是信口一说，而是以费曼的路径积分方法为基础。费曼在上世纪40年代创立了路径积分方法，并证明了这种方法与海森堡矩阵和薛定谔方程是等效的，都是描述量子论的基本数学方法。路径积分是在时间上对粒子的所有状态求和，所以对应于粒子的多重历史路径。路径积分方法能计算某个特征对应的粒子多重历史抵消的条件，如果多重历史相互抵消了，叫退相干（decoherence），不能抵消叫相干。

我们所关注的特征分为两种，符合退相干条件的特征，所对应的历史是确定的，只有一种历史发生了。不符合退相干条件的特征，则对应着同时发生的多重历史。我们日常看到的确定历史，是建立在粒子多重历史的基础上，而其多重历史相互抵消的结果。

根据计算结果，如果要保持粒子多重历史相干（即保持不确定性的多重历史同时发生），必须是一个粒子很少的非常小的系统，人的感官所涉及的系统都太大了，只能观察到退相干的历史，不能观察到不确定的叠加态。

多重历史解释听起来比哥本哈根的“人类意识的观测使粒子不确定性坍缩”要令人信服多了，但它并不是一个唯物论的解释，它是说，宇宙是一个多重历史的叠加，因为我们关注了某一个宏观的特征，宇宙就呈现出确定性。事实上，如果我们关注不同的宏观特征，宇宙可能会呈现出不同的确定性。也就是说，宇宙的可观测状态，是由我们所要关注的宏观特征决定的。这应该不是一个支持唯物主义的观点吧？

霍金在《伟大设计》中，较详细地论述了多重历史解释，在此书中，他把科学总结成“依赖

模型的实在论”，就是说，我们必须有一个模型，也就是确定关注哪种宏观特征，那么对于这个模型宇宙就符合实在论。

多重历史与量子论的多重宇宙（平行宇宙）解释有什么区别？多重宇宙解释是说，量子物理过程使宇宙分裂，不同宇宙分别对应粒子的多种不确定性（这种分裂不是现实的，而是数学意义上的）。根据多重宇宙解释，符合退相关条件的不同宏观特征也都在不同的宇宙中发生了，这就涉及了我们会在哪个宇宙里的问题，当这一问题与自我的状态形成自指时，就会产生量子永生的悖论。而根据多重历史解释，符合退相干条件的不同宏观特征，其历史是确定的，只有一个发生了，其他没有发生，不会产生由于自指而引发的悖论。

多重历史解释为量子计算机的设计提供了可能。量子计算机的核心技术，就是保持计算过程中的相干性，同时在多重历史中进行运算，所以量子计算机拥有比经典计算机强大得多的运算能力。量子计算机能否实现，现在尚无定论，如果实现，应该是多重历史解释的一个很好证明。

多重历史解释出现较晚，在科普中较少提及，并没有广为人知。但比起之前的解释，它更为合理，解决了很多矛盾之处，具有更深刻含义，可能更加接近现实的图景。

第二篇：量子力学的多世界解释

量子力学的多世界解释

中 文 摘 要

量子力学自从诞生以来关于其完备性的争论便一直存在，论文通过对量子力学的发现和其基本内容以及其发展过程、发展现状的描述引出量子力学的完备性争论。继而通过以爱因斯坦为代表的EPR一派和以玻尔为代表的哥本哈根一派的争论，直至50年代初期出现的以玻姆为代表的关于“隐变量”的描述来了解各种关于量子力学完备性解释的理论。

在EPR一派和哥本哈根一派的解释之外，1957年休·艾弗雷特（Hugh Everett）提出了量子力学的多世界解释，多世界解释的出现为量子力学解释的完备性做出了巨大的贡献，论文通过多世界解释的出现、低潮、再次发展以及发展壮大的近半世纪的历史过程来详细阐述多世界解释的核心理论、多世界解释的意义、科学界对多世界解释的看法以及多世界解释所存在的缺陷，通过多世界解释来进一步加深对量子力学解释完备性的理解与认识。

关键词：量子力学的完备性，哥本哈根解释，EPR佯谬，多世界解释

第一章     引  言

1.1课题的背景和意义

量子力学从产生到现在大约经历了百年的时间，在这百年之中，它的发展促使了人类社会和人类科学的进步。目前量子力学相继应用于基本粒子、原子核、原子和分子、固体和液体等各种物理系统，都取得了巨大的成功。最引人注目的就是量子计算机的产生和发展，它将彻底改变人们的有关计算的理解。关于量子信息的前沿研究工作表明，量子力学的基本概念有可能改变人们对信息存储、提取和传输过程的理解。量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。 可以毫不夸张的说，20世纪的科学是量子力学的科学。

相对于在社会发展中所取得的巨大成就，量子力学在其自身理论的完善上总是无法取得多数科学家的一致认同。

在量子力学发展过程中，以玻尔等为代表的哥本哈根解释有着举足轻重的作用，近年来的系列实验也进一步证明哥本哈根解释确实有一定的正确性，但是许多令人疑惑的问题依然存在。而量子力学的完备性也一直备受一部分科学家所诟病，于是在哥本哈根解释之外，一系列其他的理论出现在人们面前。本课题便着重研究量子力学的一个重要解释——多世界解释。我们相信，目前量子力学的基本理论既不是最终理论，也不会停留在现有的水平上，它一定会继续深入发展下去，至于如何发展，这类问题应在辨证唯物主义指导下，通过实践得以解决。这些问题得到了解决，我们社会将会发生更大的变化，我们的生活、工作和学习也会是另一种模式。

1.2目前量子力学的主要派别

量子力学建立初期居于统治地位的是以玻尔、海森伯和波恩为代表的哥本哈根解释，也就主要是他们的理论构成了哥本哈根解释的大厦，其中是玻尔的“互补理论”、海森伯的“测不准原理”和波恩的几率波解释。目前国内大多数的量子力学教材都是在哥本哈根解释的基础上来讲述的。后面我们还将详细的讲哥本哈根的解释。到现在，因为哥本哈根解释的不完备性，在量子力学领域又出现了许多新的学派，例如：1952年，玻姆提出了隐变量理论，他的理论给波函数增加了额外的隐变量，从而可以赋予系统的性质以确定的值。玻姆认为，在量子世界中粒子仍然是沿着一条精确的连续轨迹运动的，只是这条轨迹不仅由通常的力来决定，而且还受到一种更微妙的量子势的影响。量子势由波函数产生，它通过提供关于整个环境的能动信息来引导粒子运动，正是它的存在导致了微观粒子不同于宏观物体的奇异的运动表现。在其理论中，粒子与波函数同时存在，其中波函数被看作是一种存在于数学空间中的物理场，满足连续的薛定谔方程，并且不坍缩，而粒子则由波函数引导进行运动，同时具有确定的位置和速度。

1957年，普林斯顿大学的研究生艾弗雷特三世（Hugh Everett Ⅲ）提出了多世界解释，他认为正统解释中的波函数坍缩是不必要的概念，并重新给出了量子力学的相对表述，他还认为，由于在复合系统的叠加态中，每一个成员态包含一个确定的观察者态、一个具有确定读数的测量仪器态，以及一个确定的被测系统态，因此作为叠加态中的每一个成员态描述一个感知到一个确定结果的观察者，对于这个观察者被测系统的状态似乎已经被转换成对应的坍缩态。于是，对于每一个由叠加态中的一个成员态所描述的观察者来说，波函数坍缩似乎已经在一个主观水平上发生，而他只感知到一个结果^[1]。其它的关于量子力学的解释还有一致历史、修正的量子动力学等解释。

1997年8月，在美国马里兰大学举行的量子力学讨论会上，物理学家们对他们认可的量子力学解释进行了投票，结果如下：

表1-1.量子力学97年投票情况

续表1-1.量子力学97年投票情况

1999年7月，在剑桥的牛顿研究所举行了一次关于量子计算的会议，其间人们对量子力学解释再一次进行投票表决，结果如下：

表1-2.量子力学99年投票情况

很多物理学家认为多世界解释是目前最好的解释，在弦理论家、量子引力和量子宇宙学中最受欢迎，相信它的著名物理学家有霍金、费曼、盖尔曼和温伯格等。每一种解释都有它合理的地方，但限于目前的科研条件、研究状况，还不能说明哪种是正确的，而哪一种是错误的。

当前美国著名物理学家玻姆等人所主张的量子力学的隐参量解释，也是一个相当活跃的研究领域，许多科学家一直在通过实验来检验隐参量理论的正确性，也许将来有一天，在实验上得到突破，证明隐参量确实存在，可想而知，这将对量子力学又是一场革命。

量子力学是一门新兴的学科，它的发展只不过经历了大约百年的时间，它已经有了一定的理论体系，但是，还有许多问题还没有得到很好的解决，还存在着很多争论。从目前量子力学多种解释的并存现状也可以看出量子理论还有待进一步发展、完善。我们总观科学的发展史可见，无论是社会科学还是自然科学，当它遇到难以解决的困难时，往往会把问题上升到哲学的高度来考虑，就像我们这篇论文讨论的有关量子力学争论中的哲学问题一样。从哲学的角度考虑这些难以解决的问题，会使社会科学、自然科学和哲学相互推动，共同发展。

第二章 早期关于量子力学解释的争论

2.1 量子力学的发现与发展

19世纪末20世纪初，以牛顿定律为基础的经典力学已经取得了重大的成就，当时人们普遍认为经典力学已经相当完备，而物理学所需要的也仅是在经典力学基础上的一些小的修补，但是经典力学却在实验方面遇到了一些严重的困难，这些困难被看作是“晴朗天空的几朵乌云^[2]” ，然而谁也没想到正是这几朵乌云却引发了物理界的变革，继而诞生了量子力学。

1900～1926年是量子力学的酝酿时期，此时的量子力学是半经典半量子的学说，称为旧量子论。量子力学就是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。

旧量子论开始于德国物理学家普朗克对黑体辐射的研究。黑体辐射是1900年经典物理所无法解决的几个难题之一。旧理论导出的黑体辐射谱会产生发散困难，与实验不符。普朗克于是提出“能量子”概念，认为黑体由大量振子组成，每个振子的能量是振子频率的整数倍，这样导出的黑体辐射谱与实验完全符合。“能量子”是新的概念，它表明微观系统的能量有可能是间隔的、跳跃式的，这与经典物理完全不同，普朗克因此就这样吹响了新的物理征程的号角，这成为近代物理的开端之一^[3]。

1905年，爱因斯坦利用能量子的概念成功地解释了光电效应。

1912年，玻尔根据普朗克的量子论、爱因斯坦的光子学说以及卢瑟福的原子行星式结构模型，成功地导出了氢原子光谱线位置所满足的公式，从这以后掀起了研究量子论的热潮。

1924年，法国人德布罗意根据光的波粒二象性理论、相对论及玻尔理论，推断认为一般实物粒子也应具有波动性，提出了物质波的概念。

德布罗意波由爱因斯坦通过实验得到验证，1926年奥地利学者薛定谔建立了量子力学的波动方程。与此同时，受玻尔对应原理和并协原理影响的德国青年海森堡提出了与薛定谔波动力学等价但形式不同的矩阵力学，也能成功地解释原子光谱问题。矩阵力学和波动力学统称量子力学，量子力学就这样正式诞生。

     (2.1)

                                                   (2.2)

其中△x为位置的不确定性,△p为动量的不确定性,△t为时间的不确定性,△E为能量的不确定性,h为普朗克常数。

量子力学与经典力学对物质的描述有根本区别。量子力学认为“粒子轨道”概念是没有意义的，因为我们不可能同时确定一个粒子的动量和位置，我们能知道的就是粒子在空间出现的几率。量子力学用波函数和算符化的力学量取代过去的轨道和速度等概念，将不可对易代数引进了物理。19世纪20年代后期狄拉克建立了狄拉克方程，狄拉克方程成为量子力学最有名的方程之一。狄拉克方程式的形式如下：

                                    （2.3）

其中m是自旋-½粒子的质量，x与t分别是空间和时间的座标。

狄拉克还将电磁场量子化，从理论上证实了1905年爱因斯坦的光子学说的最重要观点——光是由光子组成的。作为一个体系，量子力学的建立大致在20世纪20年代末完成，此后量子力学就被应用到实际问题中去了。

量子力学在低速、微观的现象范围内具有普遍适用的意义。它是现代物理学基础之一，在现代科学技术中的表面物理、半导体物理、凝聚态物理、粒子物理、低温超导物理、量子化学以及分子生物学等学科的发展中，都有重要的理论意义。量子力学的产生和发展标志着人类认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃。

2.2巨人的对话

2.2.1 EPR佯谬

不同于19世纪以前的经典物理和后来的相对论对自身理论的完美阐述，量子力学在自身的完备性上总是存在种种缺陷，这使得相当一部分的科学家对量子力学提出了质疑，同时他们认为量子力学在哲学解释上也不尽如人意。于是，针对这些量子力学中存在的疑惑，物理界展开了史无前例的大论战。

1928年玻尔首次提出了互补性观点，试图回答当时关于物理学研究和一些哲学问题。其基本思想是，任何事物都有许多不同的侧面，对于同一研究对象，一方面承认了它的一些侧面就不得不放弃其另一些侧面，在这种意义上它们是“互斥”的；另一方面，那些另一些侧面却又不可完全废除的，因为在适当的条件下，人们还必须用到它们，在这种意义上说二者又是“互补”的。由互补性观点所衍生来的互补哲学和海森堡所创立的“测不准原理”成为哥本哈根解释的两大支柱理论。

尽管玻尔对他的思想所作的细致的阐述，取得了各种进展，也受到了许许多多有影响的学者们的拥护但是仍然有不少物理学家对量子理论的哥本哈根解释持反对态度。

在哥本哈根解释的反对者行列中，为首的是爱因斯坦。不同于德布罗意和薛定谔这些物理学家试图发展一种更为吸引人的看法，以代替哥本哈根解释的行为，爱因斯坦干脆摒弃了量子理论的基本哲学思想，根本不想提出和建立任何确切反对哥本哈根解释的理论体系。

1935年美国《物理评论》的第47、48期上分别发表了两篇题目相同的论文：“物理实在的量子力学描述能否认为是完备的？”在47期上署名的是：爱因斯坦、波多尔斯基和罗森，在48期上署名的是玻尔。 EPR是前三位物理学家姓的头一个字母。EPR悖论是这三位物理学家为论证量子力学的不完备性而提出的一个悖论，又称EPR论证或EPR佯谬（图一）。EPR佯谬涉及到如何理解微观物理实在的问题。

                             （2.4）

爱因斯坦等认为，如果一个物理理论对物理实在的描述是完备的，那么物理实在的每个要素都必须在其中有它的对应量，即完备性判据。当我们不对体系进行任何干扰，却能确定地预言某个物理量的值时，必定存在着一个物理实在的要素对应于这个物理量，即实在性判据。他们认为，量子力学不满足于这些判据，所以是不完备的。爱因斯坦等人认为，量子力学蕴涵着EPR悖论，所以不能认为它提供了对物理实在的完备描述^[4]。

面对爱因斯坦等人的反驳，玻尔对EPR实在性判据中关于“不对体系进行任何干扰”的说法提出了异议，认为“测量程序对于问题中的物理量赖以确定的条件有着根本的影响，必须把这些条件看成是可以明确应用‘物理实在’这个词的任何现象中的一个固有要素，所以EPR实验的结论就显得不正确了”。玻尔以测量仪器与客体实在的不可分性为理由，否定了EPR论证的前提———物理实在的认识论判据，从而否定了EPR实验的悖论性质^[5]。

2.2.2薛定谔猫

同样在1935年，薛定谔发表了一篇题为《量子力学现状》的论文，在论文的第５节，薛定谔描述了那个常被视为恶梦的猫实验（如图2）：根据哥本哈根反对EPR一派的学说，没有测量之前，一个粒子的状态模糊不清，处于各种可能性的混合叠加。比如一个放射性原子，它何时衰变是完全概率性的。只要没有观察，它便处于衰变／不衰变的叠加状态中，只有确实地测量了，它才会随机的选择一种状态而出现。那么让我们把这个原子放在一个不透明的箱子中让它保持这种叠加状态。现在薛定谔想象了一种结构巧妙的精密装置，每当原子衰变而放出一个中子，它就激发一连串连锁反应，最终结果是打破箱子里的一个毒气瓶，而同时在箱子里的还有一只可怜的猫。事情很明显：如果原子衰变了，那么毒气瓶就被打破，猫就被毒死。要是原子没有衰变，那么猫就好好地活着。

图2  薛定谔猫实验

当这只猫和原子都被锁在箱子里时，因为尚未观察，所以猫的死活完全取决于原子的状态，而原子状态的不稳定也导致了猫的状态的不稳定^[6]。

但我们怎样才能知道这只猫的死活呢？玻尔说，当我们观察这只猫的瞬间，坍缩发生了，于是我们得到了一只也只能是一只特定的死的或者是活着的猫。

同样由哥本哈根一派我们会得到这样一个现象：在我们没有观察之前，月球以微观粒子的形式分布于天空之中，而在我们观察的瞬间，粒子发生了“坍缩”，于是我们得到了一个挂在天上的月亮。

然而从哲学角度上来说，这更加是无法理解的，因为物质总是客观存在的，不管我们看还是不看，箱子中总是存在着一只猫，无论它是死是活；天上也总是会挂着一个月亮，不管它是圆是方。但遗憾的是，玻尔的解释却和普遍的哲学解释背道而驰，在我们没有观察之前，那个月亮就会以粒子的状态像星星一样散布于天上，就是处于一种叠加态，只有在我们抬头的瞬间它才会重新聚集起来。

而那只猫就更可怜了，尚未观察之前这只猫肯定是处于一种既死又活而又不死不活的令人哭笑不得的状态。

哥本哈根解释在很长的一段时间成了“正统的”、“标准的”诠释。但那只不死不活的猫却总是像恶梦一样让物理学家们不得安宁^[7]。

从1953年玻姆提出隐参量的概念到1965年贝尔建立贝尔不等式，越来越多的科学家参与到这场世纪论争中，但直到1955年爱因斯坦去世，这场争论也没有分出胜负，但量子力学却也在遵循着玻尔解释的轨迹下取得了巨大的成就。

值得一提的是爱因斯坦并没拒绝接受量子力学，只是认为它不完备。主要是它明显的缺乏因果性，以及与宏观物理学原理的不相容。爱因斯坦认为宇宙都是该被完美的物理理论所描绘出的，而量子理论出现了不可预测性，这让他困惑终生。爱因斯坦认为，量子力学只不过是对原子及亚原子粒子行为的一个合理的描述，是一种唯象理论，它本身不是终极真理。他说过一句名言：“上帝是不会掷色子的。”

2.3 争论的焦点

     量子力学自建立到如今已有近百年，在这百年的时间里它极大地推动了社会的发展，但量子力学作为一个完整的体系在其自身的自洽性上始终为人所诟病，而哥本哈根解释作为量子力学的主流解释也在其思想核心方面招致了爱因斯坦等人的强烈反对。爱因斯坦作为量子力学的创立者先驱，到最后却义无反顾的举起了反对的大旗，归根结底是在于哥本哈根学派对量子力学中测量问题的解释还存在问题，而这个无法解释的问题也便成为了哥本哈根解释的致命弱点。

    当科学家们在测量问题面前再也无法逃避时，一系列由测量所衍化开来的理论便诞生了，多世界理论便是其中之一。

第三章 量子力学的多世界解释

3.1 量子力学多世界解释的描述

3.1.1 多世界解释的提出

1957年，一位来自美国普林斯顿大学的年轻物理学家发表了一篇论文，论文针对众多量子力学解释的争论提出了自己的关于量子力学的新的理论。

这就是艾弗雷特的量子力学的多世界解释。

艾弗雷特假设，所有孤立系统的演化都遵循薛定谔方程，波函数坍缩从不发生。但是，如果波函数不发生坍缩，为什么我们对具有不确定性（即处于叠加态）的量子系统的测量只能得到一个确定的结果呢？艾弗雷特意识到，另一个可能的出路在于：作为相互作用的结果，测量仪器与被测系统的状态之间发生关联，从而测量仪器的状态不再能够被独立地定义，而只能相对于被测系统的状态来定义，艾弗雷特称之为相对态。进一步地，当观察者对测量仪器进行读数时，他的状态也与测量仪器，进而与被测系统的状态关联起来。这三者形成了一个复合系统的整体，而根据薛定谔方程被测系统的不确定性将传递给整个复合系统，即它也处于叠加态。

现在到了问题的最关键之点，艾弗雷特在此迈出了最大胆的一步。他认为，由于在复合系统的叠加态中，每一个成员态包含一个确定的观察者态、一个具有确定读数的测量仪器态，以及一个确定的被测系统态，因此，作为叠加态中的每一个成员态描述一个感知到一个确定结果的观察者，对于这个观察者被测系统的状态似乎已经被转换成对应的坍缩态。于是，对于每个由叠加态中的一个成员态所描述的观察者来说，波函数坍缩似乎已经在一个主观水平上发生，而他只感知到一个确定的结果^[8]。就像薛定谔的猫，在我们观察时整个世界发生了变化，宇宙一分为二，不管在我们的世界里那只猫是死是活，必定有另一个世界的另一只或者是死或者是活着的猫与之相对应。

这的确是一个极其大胆而新颖的想法！

3.1.2 多世界解释的低潮

马克斯·蒂格马克说，多世界理论是他所读过的“最为才华横溢的理论之一。”^[9]

然而最初这个理论却由于它本身过于奇特的想法而被排斥，同时那个时候许多其他的理论也被提了出来。而实验对艾弗雷特的想法也毫无帮助。在此后的的十年里多世界解释被人遗忘了，而它的创立者艾弗雷特也在心灰意冷下离开了物理学界，直到他去世，再也没有回到研究领域。

然而就像真理永远不会被淹没一样，艾弗雷特的多世界理论在十余年后再次被人们提出，并且迸发出了耀眼的光芒。

3.1.3 多世界解释的再次发展

1968年德义奇和他的学生格拉汉姆（N.Graham）在一系列文章中发展了艾弗雷特的理论，并给出了更为清晰的表述。他们认为，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。于是，在每个单独的世界分支中，一次测量只产生一个确定的结果，虽然各个世界分支中的结果并不相同。德义奇进一步强调，“在当前接受的形式体系框架内，它是唯一允许量子理论在宇宙学的基础中起作用的观念^[10]。”这样，艾弗雷特的相对态表述便以多世界解释的新名称开始广为人知。

1970年，海德伯格大学的泽首次阐述了退相干理论。退相干是指系统波函数的各个分支之间的相干性被破坏。原本连续分布的波函数概率幅，在经历“观测”之后的瞬间退变为离散分布于某一特定点的δ函数（狄拉克δ函数，在特定的一个点值为无穷，其余所有点值为0，整个函数图形总面积定义为1）的现象。夸张一点，就像论文第二章说的那样退相干效应就是指当没有人看月亮时，月亮只以一定概率挂在天上；而当有人看了一眼后，月亮原来不确定的存在性就在人看的一瞬间突变为现实^[11]。

与退相干结合起来之后，多世界理论显得更具有吸引力。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。

1973年，艾弗雷特应惠勒和德义奇的邀请，在德克萨斯州的奥斯汀大学作了一系列关于量子力学的演讲。艾弗雷特的演讲非常成功，他表述准确，充满热情，并极有预见力。在演讲总结中他宣称，“我们将被引向一个新的情况，其中上述理论（即多世界理论）是客观上连续的、因果的，而主观上是非连续的、几率的^[8]。”

3.1.4 多世界解释的壮大

1970年代后期，随着人们对多世界解释的兴趣不断增长，多世界解释在弦理论家、量子引力和量子宇宙学家中最受欢迎，相信它的著名物理学家有霍金、费曼、盖尔曼和温伯格等。霍金是众所周知的多世界迷，费曼一直强调坍缩过程只能通过薛定谔方程来说明。温伯格则断言，“最终的途径是将薛定谔方程认真地当作是对测量过程的描述……我更喜欢这种最终步骤。”在《夸克与美洲豹》一书中，他将自己描述成了多世界解释的信徒。

1985年，德义奇对多世界解释做出了进一步的澄清。德义奇首次指出了多世界解释与正统解释具有不同的实验预测，并提出一个大胆的超脑实验以检验孰是孰非。在这一实验中，人们首先制备一种具有量子记忆能力的超脑，然后观察超脑的不同记忆状态之间的干涉效应。如果多世界理论是正确的，那么将会观察到干涉现象，同时超脑也会在效果上感觉到自己的分裂和合并；而如果正统解释是正确的，将不会观察到干涉现象。

此外，德义奇用数目不变的世界出现差别来代替世界不断分裂的说法。根据他的新表述，存在一些平行的完全的世界，它们在某种确定的意义上在相同的时间和空间中存在着，尤其是，它们与我们共享同样的时间和空间。不同的平行世界是通过它们作为一个公共的物理实体的一部分而关联在一起的，物理实在就是纠缠在一起的所有世界的集合。在理论上，多平行世界是与波函数的各个“坍缩”分支相联系的，当世界面临一种量子选择时，它就分裂成两个不同的世界。

20##年2月，惠勒和蒂格马克在《科学美国人》上发表了一篇纪念量子发现一百周年的文章。在这篇文章中，他们认为，去相干理论和最新的实验表明，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^[12]。

3.2多世界解释的意义

艾弗雷特多世界理论的伟大或者说是独特之处在于它否定了波函数的坍缩，认为薛定谔方程在任何时候都会成立。而这样一个没有坍缩的量子理论仍然可以解释观测，并预言描述宏观世界的波函数会渐渐演化成一个描述多重世界叠加态的波函数。而观测者主观经历这一分裂得到的仅仅是有限的随机性，其概率和使用波函数坍缩方法计算的结果一致。这样在哥本哈根一派的解释中所存在的缺点却被艾弗雷特加以利用而完成了自身理论的自洽性。艾弗雷特完成了爱因斯坦在与玻尔论战时所没有做到的工作——提出自己的理论体系。而量子力学的完备性也因为多世界理论的提出而向着进一步的完善迈出了长足的一步。

从科学史上看，量子力学基本上是沿着玻尔等人的路线发展的，并且取得了巨大成功，特别是通过贝尔不等式的检验更加巩固了它的基础。但是，我们也要看到，从爱因斯坦等人提出的EPR悖论到艾弗雷特提出多世界解释，一系列不停否定哥本哈根解释的过程实际上激发了量子力学新理论、新学派的形成和发展，使量子力学在争论中得到了更进一步的发展。

第四章 多世界解释的缺陷

4.1多世界解释的缺陷

那场伟大论争的主角已经逝去了将近半个世纪，玻尔和爱因斯坦的光芒也无法穿越时空的禁锢永远照耀的人们无法睁开探索新理论的双眼。当正统的解释在时间的面前显得有些力不从心时，很多人便抛弃了那些显得有些古老的思想转向更新的理论的怀抱。

于是多世界理论便适时的出现在了人们面前。

4.1.1 无法逃避的测量问题

多世界解释抛弃玻尔无法描述坍缩过程的硬伤，直接否认了坍缩的存在。我们不能说这到底是新理论精妙的转变，抑或是它也无法解释坍缩而选择的偷懒。但我们却知道，多世界理论的确受到了越来越多的关注。

多世界解释由一个经典的世界演化开来，认为物理实在是包含有很多世界的，它的演化遵循严格决定论。但是，多世界解释仍然存在许多问题，比如为什么我们只能感知到确定的经典世界，而没有感知到宏观物体的叠加态呢？

很多反对多世界解释的物理学家表示怀疑，把目前的薛定谔方程完全绝对化就是合理的吗？为什么不对它进行可能的扩展呢？而且就像爱因斯坦所说的那样“我不相信就只是因为我看了一眼这只老鼠而使得整个宇宙发生了变化。”

一只老鼠使得宇宙产生了分裂，这代价是否未免太大了些？

正统的哥本哈根解释不能告诉我们波函数为什么，以及何时发生了坍缩，多世界解释也不能告诉我们宇宙为什么，以及何时发生分裂。多世界解释认为，当发生一次测量时，宇宙就分裂一次，于是产生了两个甚至是多个世界，但是对于什么是一次测量它却说不清楚，而如果不能精确定义和描述测量，这一解释仍然是没有意义的。说到底，测量由量子到经典转变的过程是任何量子力学理论都必须面对的，而反对多世界理论的科学家则认为多世界只不过是用宇宙的分裂来代替波函数的坍缩，它仍未解决测量问题^[8]。

测量究竟是在什么时候发生的呢？又是如何发生的呢？所有解释都无法逃避这个问题。它是在粒子通过双缝时就发生了呢？还是在粒子于屏幕上打出一个亮点时发生的呢？抑或是直到观察者意识到亮点的存在时才发生呢？你必须回答！而令我们失望的是包括在多世界解释在内的几乎所有关于量子力学的理论都没有回答这个问题，而且大家似乎都在有默契的一起回避这个缠人的难题。

4.1.2 无处容身的概率

另一个艾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。但是多世界解释由于主张量子系统永不坍缩，因此根本没有概率这一说法。“在艾弗雷特的理论中，”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^[13]。”

艾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。“在艾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。

然而就像艾弗雷特的支持者说的那样，反对者反对多世界理论一部分原因是因为它的奇妙。而支持多世界理论的人又何尝不是或多或少因为这一不同于传统解释的奇妙而站在了多世界解释的一边，因为哥本哈根一派的解释对他们来说实在是太普通了、太古老了一点。

4.2勇敢者的实验

而且不管支持者怎样试图证明多世界理论的正确性也无法通过实验来演示给我们看，这样的实验至少在目前的科学条件下根本是不可能完的，甚至我们都可以肯定在遥远的未来这个实验仍然无法进行，因为实验者怎样来完成实验呢？

于是多世界理论的信徒设计了这样一个实验：

根据多世界解释，在任意一个量子的测量中，世界将分裂成两个。于是勇敢的实验者举起了枪对准自己的太阳穴来进行这个疯狂的实验。枪声向后，其中一个世界实验者仍然活着，而在另一个世界中实验者已经死亡。可惜的是，我们的世界属于后者。而在那个实验者仍然活着的世界中有没有我们这些观察者来确定这个实验的结果以致这个理论的正确性呢？

我们不知道，我们只知道的是在这个经典的世界里实验者已经死亡了。而死者永远无法对我们说一下多世界理论到底是对的还是错的。

结 论

通过对量子力学建立过程的基本历史的认识和研究，了解了量子力学的基本发展历程，特别是在其发展过程中有关量子力学完备性的争论，使得我对量子力学的各个主流解释如哥本哈根解释、EPR的解释以及本论文研究的重点：多世界解释有了深刻的的认识，尤其通过对多世界解释的了解，使得我对量子力学有了更加细微的认知，特别是艾弗雷特创立多世界理论的过程更是给了我深深的感触，多世界理论的创立改变了量子力学解释的传统局面，他经过对前人解释的总结和反思，又加上自己的思考在已有理论基础的支持下发展出了这样一套新颖大胆而又严格致密的新理论，这样的做法更是值得我们致敬！