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多重宇宙真的存在？艾弗雷特三世（HughEverettIII）的多世界诠释

在前一篇我们聊到，为了反驳量子力学的机率诠释和叠加态的说法，薛丁格提出著名的思想实验：“薛丁格的猫”。既然猫在现实中不可能既生又死，所以量子理论一定有不够完备的地方。

延伸阅读：物理学四大神兽“薛丁格的猫”，其实是在嘲讽量子力学?物理学家对波函数机率诠释的争辩

然而，真的是这样吗?有没有既符合量子理论又能解释这个实验的说法呢?

测量问题：量子系统的确定性

在量子力学中，量子系统的状态在被测量前是不可确定的，所有可能状态以机率的形式共存，这时系统处于所有状态的叠加态。只有当我们进行测量时，系统才会变成某个特定状态。

例如，原子里的电子并没有一个确定的位置，它可能出现在任意地方，像波一样散布于空间中。当你测量它，它有一定机率出现在某处。爱因斯坦曾问：“是不是只有当你在看它的时候，月亮才在那儿呢?”对他而言，月亮不管有没有人在看，都悬挂在天上，他认为量子系统应该也是如此，总是有个确定的状态，只是我们还没搞清楚而已。

而薛丁格在与爱因斯坦讨论后提出“薛丁格的猫”思想实验。薛丁格利用猫不可能处于既生又死的叠加态来质疑量子理论，虽然引起了话题，但并未成功反驳量子理论。

量子力学的理解不断累积，我们知道了许多爱因斯坦和薛丁格当时不知道的事情，因此在某种程度上，回应他们的质疑已经不再是问题。

多世界诠释：分岔的宇宙

1957 年，美国普林斯顿大学的博士生艾弗雷特三世（Hugh Everett III）提出了一个大胆的想法。他认为，宇宙的一切可以由单一个宇宙波函数（universal wave function）来描述，遵循量子力学的波动方程式。当我们进行测量时，例如检查“薛丁格的猫”实验结果，不同的子系统（如猫、毒药瓶和测量者）会在交互作用下彼此连动，呈现出两组状态：猫死亡、毒药瓶打破、测量者看到猫死亡，或猫活着、毒药瓶没破、测量者看到猫活着。

艾弗雷特三世（Hugh Everett III）提出的多世界诠释，之后成为许多科幻题材的灵感来源。图/wikimedia

测量会让宇宙波函数分岔出两个不同的分支，或说两个平行世界。在其中一个宇宙，猫会活着;另一个宇宙，猫则会死亡。两个宇宙都真实存在，没有猫既死又活的事情。

在艾弗雷特的诠释中，宇宙波函数随着时间演化，就像一株大树，每当有测量发生，就会分出不同的枝干。每个枝干代表一个独立的平行世界或平行历史，这就是著名的多世界诠释（many-worlds interpretation）。历史上每次的测量或选择都会分裂出不同的世界，产生超级庞大的平行世界数量，彼此之间无法沟通或交换资讯。

虽然我们在这个世界买乐透没中奖，但在另一个平行世界里，我们可能是中头奖的大富翁。多世界诠释的优点是，它与量子理论没有矛盾，能解决薛丁格的猫等悖论。

然而，尽管有人曾提出过验证多世界诠释的方式，现今的科技无法做到。艾弗雷特的博士论文没有受到学界的多大关注，他之后改从事与物理研究无关的工作。直到1970年代，多世界诠释才开始受到注意，并在艾弗雷特于1982年去世后，变得越来越受欢迎，甚至被科幻作品挪用。

量子去相干：量子特性的丧失

量子去相干（quantum decoherence）是另一种解决方法。在双狭缝干涉实验中，同一波源的波从两个狭缝出来并产生干涉条纹，代表它们存在相干性（相互干涉的性质）。若对其中一道狭缝的光波进行干扰，相干性会消失，干涉条纹不会出现，这就是去相干。

在量子力学里，微观粒子具有波的特性，也会发生相互干涉。波函数随外在环境存在许多不同可能状态，彼此相干。在电子的双狭缝实验中，电子以波的形式通过两个狭缝，接着彼此干涉，形成干涉条纹。当我们测量电子的路径，就会让系统不同可能状态的相干性消失，这就是量子去相干。

只要一个量子系统没有完全孤立，与外界有交互作用，就算是干扰。想象将热水和冷水倒在一起，热水分子和冷水分子会互相作用，交换热能和动量，最终达到平衡——一杯温水。原本的每个热水分子和冷水分子可以视为孤立系统，但当它们互相作用，改变状态，就必须将整杯水视为整体。

量子系统的测量就像这个例子，测量者和量子系统之间的交互作用会导致量子系统与外界交换资讯，无法再用原本的波函数描述，最终逐渐丧失量子特性。

现实中的量子去相干

在电子的双狭缝干涉实验中，若要知道电子通过双狭缝时的确切位置和路径，就必须侦测它，与之产生交互作用，导致量子去相干，干涉条纹消失。量子去相干的概念下，测量是一种交互作用，会引起量子去相干现象。随着交互作用程度不同，量子系统会逐渐失去量子特性。

在现实世界中，所有量子系统都不可能完全孤立，与外界互动后，时间久了必然去相干。现实生活中的所有物体，虽然由量子系统组成，但当原子构筑成更大的结构，会因彼此的交互作用丧失量子特性。因此，爱因斯坦问的“是不是只有当你在看它的时候，月亮才在那儿呢?”我们可以回答：“并不是这样。”因为月亮已经不是量子系统。

薛丁格的猫不可能存在?

在“薛丁格的猫”实验中，当作为量子系统的不稳定原子核被侦测到衰变后，交互作用就完成了，量子系统的状态就确定了，猫也就死定了。此外，猫自身因量子去相干的关系，不会是量子系统，不可能同时处于生和死的状态。

目前量子相关科技，如量子电脑、量子通讯等，在研发上遇到的困难，部分来自于量子去相干现象。量子电脑使用的量子位元必须保持在隔绝于外界、不受干扰的环境中，才能维持在量子态。一旦有风吹草动，量子位元可能出错。随着量子位元数目变多，要同时维持全部的量子态也变得更加困难，这些就是当前技术需要克服的挑战了。