量子里程碑：平行宇宙的萌芽

以下文章来源于中国物理学会期刊网，作者汪力编译

中国科学院物理研究所 汪力 编译自Michael Schirber. Physics，April 18，2025

本文选自《物理》2025年第7期

量子力学的多宇宙解释认为，一次测量会导致多个独立世界的产生。

量子物理学常以波粒二象性、纠缠等概念挑战人们的想象力，但或许没有哪种理论像“多宇宙解释”这般颠覆认知：该理论宣称，每做一次量子测量时，都会为每个可能的结果产生独立的宇宙。1957年，普林斯顿大学研究生休·埃弗雷特(Hugh Everett)提出这一理论，试图解决量子测量中明显的悖论。虽然该设想无法通过实验验证，却深刻影响了众多物理学家的思维方式。

当时，学界主流是哥本哈根诠释(至今这仍是被广泛接受的理论)。该诠释以波函数为起点，描述一个量子对象处于特定状态的概率。以光子撞击50/50分光镜为例，形成的波函数可想象为两道传播的波：穿透镜面的波与反射回来的波。若科学家爱丽丝在镜子后面放置探测器，光子有50%的概率触发探测器发出“咔嗒”声。令物理学家困扰的是测量行为对波函数的影响。哥本哈根诠释认为，观测者进行测量时波函数会瞬间坍缩至被观测状态。因此当爱丽丝听见“咔嗒”声时，穿透光子立即实体化，反射波则消失无踪。埃弗雷特认为，这种不连续的演化以及对外部观测者的依赖存在问题。

埃弗雷特1957年发表在Rev. Mod. Phys. 上的文章

埃弗雷特的解决方案是假设波函数永不坍缩，只连续演化。但随之而来的问题是：为何观测者只能看到一个结果？这里的逆天之处在于，整个系统(观察者+被测对象)会“分叉”进入叠加态，产生多重轨迹；如同一个爱丽丝走向“咔嗒”分支，另一个爱丽丝走向“无声”分支。“埃弗雷特的图像是，当你与量子系统相互作用时，你自己也会进入叠加态，”英国科学哲学家Simon Saunders解释道。这种“多重自我分叉，体验不同人生”的设定，已成为《奇异博士》、《瞬息全宇宙》等电影的经典桥段。不过在流行作品中，角色能穿越不同宇宙，而埃弗雷特模型禁止分支间相互影响，没有任何观测者能感知分裂过程。

在埃弗雷特之前，包括薛定谔在内的物理学家曾思考过用观测者的叠加来理解波函数，但“埃弗雷特首次以清晰直接的方式提出该理论，并用于解决量子测量难题”，西班牙巴塞罗那自治大学理论物理学家Philipp Strasberg指出。

Saunders表示，该理论最初应者寥寥，部分原因在于测量结果的概率解释：这种“分支计数法”，即简单地认为某结果(如爱丽丝听到“咔嗒”声)发生的概率由包含该结果的分支数与总分支数来决定，在1970年代已被证明会导致错误统计。虽然后续研究提出了更精密的分支模型，但“概率诠释仍是多宇宙理论的难点”。

尽管存在困难，多宇宙解释仍具有广泛影响。该理论早期得到“多宇宙”术语创造者、引力理论家Bryce DeWitt的推广。量子计算先驱David Deutsch也极力捍卫，并将量子计算机的并行计算类比平行宇宙。该理论不仅为某些宇宙学理论提供概念基础，还可能助力量子与引力理论之间的联接。“它深刻影响着我们探寻的量子引力统一理论，”Strasberg表示。

虽然反对者众多，但曾主编多宇宙论文集的Saunders认为，“多宇宙理论正逐渐摆脱边缘地位，获得越来越多物理学家的公开支持”，这种转变源于其他解释(如玻姆力学、动力学坍缩理论)难以兼容相对论或计算困难。在专业会议中若对量子理论基础进行意向调查，有约1/3至半数参会者将会举手支持多宇宙解释。Strasberg也认同，“在深入思考过量子测量问题的人群中，多宇宙解释位居榜首并不意外。”

“不过，愿公开表态者仍属少数，”Saunders认为研究者对支持这种“疯狂”设想心存顾虑。Strasberg则持不同看法：“所有量子力学诠释都包含反直觉元素，在认识上，究竟哪种理论更‘怪异’往往取决于个人偏好而非科学论证。”