他27岁成为“平行世界”之父,离世后理论才获重视

作者:彼得·伯恩(Peter Byrne)来源:环球科学发布时间:2020-08-31

埃弗里特提出了超越时代的多世界理论,却受到量子力学权威的嘲笑和奚落。	

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心灰意冷的他从此一蹶不振,从物理学的世界里落荒而逃。吸烟、酗酒、冷漠无情——颓废不堪的生活,让这位才华横溢的科学家过早耗尽了生命。然而在他死后,多世界理论却受到了前所未有的重视……


休·埃弗里特(Hugh Everett Ⅲ)是一位才华横溢的数学家、一位打破传统的量子理论物理学家,后来还成了一位成功的国防项目承包商,有权获知美国最敏感的军事机密。他给物理学中的“真实”(reality)概念赋予了全新的定义。对于科幻迷来说,他还是一位深入人心的英雄:这个人开创了平行世界量子理论。对他的孩子们而言,他则是另外一个形象:一位冷酷无情的父亲、“餐桌旁的一件笨重摆设”。此外,他还是一个不折不扣的酒鬼,而且烟不离手,最终早早离开了人世。


这就是他一生的写照,至少在我们所处的这个宇宙分支里,这是他一生的真实写照。20世纪50年代中期,就读于美国普林斯顿大学的埃弗里特创立了多世界理论(many-worlds theory)——假如这一理论正确的话,在数不尽的分支宇宙中,他的人生道路会出现无数不同的转折。


埃弗里特的颠覆性想法,打破了理论物理学在解释量子力学原理方面的僵局。直到今天,多世界理论也没有得到广泛认可,但他建立理论时采用的方法,却催生出量子退相干(quantum decoherence)的概念——对于量子力学的奇异随机性如何融入日常感受到的“真实”世界,量子退相干给出了一个现代理论解释。


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荒诞的量子力学


按照埃弗里特本人20多年后的回忆,他是在1954年的某个夜晚,“喝了一两杯雪利酒之后”,启程踏上这条科学探寻之路的。他和普林斯顿大学的同班同学查尔斯·米什内尔(Charles Misner),以及一位名叫奥耶·彼得森(Aage Petersen)的访问学者正在设想“量子力学所涉及的荒诞之事”。就在那时,埃弗里特产生了一个想法,并在随后的几个星期内把它发展成了一篇论文——这就是多世界理论的雏形。


这个想法的核心内容是,用理论本身的数学原理来解释量子力学方程在真实世界中的意义,而不必给那些数学原理附加任何解释性的假设条件。这位年轻人用这种方式,向当时的物理学界发起了挑战,重新思考了物理学的基本问题:“真实”究竟是什么?


埃弗里特大胆地对付起量子力学中最棘手的测量问题。从20世纪20年代起,这个难题就一直困扰着物理学家。在量子世界里,一个或一团基本粒子可以处于某种叠加态中,然而,不论什么时候,只要科学家对某一性质进行精确测量,总会得到一个明确的结果。我们也从未见过宏观物体的不同状态发生叠加。这些测量问题都可以归结为一点:我们感知到的独一无二的世界,为什么会从一个多种不同状态相互叠加的量子世界中显现出来?这个过程又如何实现?


物理学家用数学上的波函数(wave function)来描述量子态。波函数可以被看作是一张清单,上面列出了一个量子叠加体系所有可能出现的状态,还标明了每种状态在我们测量该体系时成为检测结果的几率,不过最终出现哪种状态,似乎是随机决定的。尽管在我们看来,每种状态出现的几率不尽相同,但从波函数的角度出发,每种状态都同样“真实”。


薛定谔方程(Schrödinger equation)描述一个量子体系的波函数如何随时间发生演变,并预言这一演变过程应该平滑连续,而且符合决定论(determinism),即不含任何随机性。然而,人们用科学设备观察一个量子体系(比如一个电子)时出现的情况,却与这种优美的数学描述相矛盾。在测量的瞬间,描述多种状态叠加的波函数似乎坍缩成了叠加态中的某一种状态,中断了波函数平滑的演变过程,产生了不连续间断。单一测量结果的出现,将其他可能的状态排除在了符合经典描述的“真实”世界之外。测量结果会选择哪种状态似乎是任意的,与测量前描述该量子体系的波函数所含的信息没有任何逻辑关系。平滑连续的薛定谔方程也推导不出波函数坍缩的数学描述。实际上,坍缩必须被当作一个基本假定,人为添加到方程之中,因为这个额外过程似乎会违背薛定谔方程。


量子力学理论的众多创立者,特别是玻尔、维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)和约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann),当时都持相同观点——他们用量子力学的哥本哈根诠释(Copenhagen interpretation)来处理测量难题。哥本哈根诠释假定,量子世界中的动力学过程可以简化为经典的可观测现象,并且只有可观测现象才有意义。


这种方法赋予了外部观测者某种特权,将观测者置于经典世界之中,这个世界与被观测物体所处的量子世界截然不同。尽管无法解释什么原因将量子世界与经典世界区隔开来,但这并不妨碍哥本哈根学派利用量子力学取得巨大的技术成就。整整几代物理学家都接受了这样的教导:量子力学方程只在微观世界中发挥作用,在宏观世界中没有意义。对大多数物理学家而言,了解这些就足够了。


人人都有“分身”


埃弗里特与哥本哈根学派的观点恰好相反,他把微观世界和宏观世界融为一体,通过这种方式来解释测量难题。他将观测者视为被观测体系不可或缺的一部分,引入了一个普适波函数(universal wave function),将观测者和被观测物体联系起来,共同构成一个量子体系。他用量子力学描述宏观世界,认为宏观物体同样存在量子叠加。在他的理论中,波函数坍缩产生的不连续性不再必不可少,这与玻尔和海森堡的观点截然不同。


埃弗里特的基本想法可以归结为一个问题:如果波函数的连续演变没有因测量行为而被打断;如果薛定谔方程总是适用,并且适用于一切物体,包括被观测物体和观测者本身;如果叠加态中的所有状态始终是真实的——这样一个世界,在我们的眼中会是什么样子?


埃弗里特发现,根据这些假设,每当观测者与处在叠加态中的物体发生相互作用时,观测者的波函数就会分岔。相互叠加的每种状态都会产生一个分支,所有分支都被包含在普适波函数中。这个观测者在每个分支里都有一个“分身”,每个“分身”观察到叠加态中的一种状态成为测量结果。根据薛定谔方程的基本数学性质,这些分支一旦形成就无法再相互影响。因此,每一个分支都会各自独立地踏上一条不一样的未来之路。


通常,只要物理体系之间发生相互作用,整个体系的总波函数就会有出现分岔的倾向。这些分支如何相互独立,每个分支又怎样呈现出我们所习惯的经典“真实”世界的模样,对这些问题的理解现在被归纳为所谓的“退相干理论”(decoherence theory)。这一理论已经成为现代标准量子理论的一部分而被广泛接受,不过并不是每个人都认同埃弗里特的解释,即每个分支都代表着一个真实存在的世界。


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埃弗里特并不是第一位站出来指责波函数坍缩不合理的物理学家,但是他从量子力学自身的方程出发,提出了一套数学上自洽的普适波函数理论,开辟出了全新的局面。多重宇宙的存在成了这一理论自然而然的推论,而不是毫无由来的断言。


1956年春天,埃弗里特在普林斯顿大学的导师约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler)带着论文草稿前往哥本哈根,试图说服丹麦皇家文理科学院发表这篇论文。他在写给埃弗里特的信里提到,他和玻尔、彼得森进行了“三轮漫长而激烈的讨论”。惠勒还向玻尔理论物理研究所的其他几位物理学家介绍了埃弗里特的工作,其中就有亚历山大·W·斯特恩(Alexander W. Stern)。


分裂


惠勒在信里给埃弗里特写道:“你的完美波函数公式自然无人撼动;但我们所有人都觉得,真正的问题出在这么多公式后面所附的说明性文字上面。”比如,埃弗里特用人和炮弹发生“分裂”来描述公式所隐含的科学寓意,这让惠勒十分头痛。在写给斯特恩的一封措词得当的长信里,惠勒作了详细说明,申辩说埃弗里特的理论是对量子力学主流解释(即哥本哈根诠释)的补充,而不是颠覆:

我想我可以确信,这位非常出色、很有才干、善于独立思考的年轻人已经逐渐认识到,对测量难题的现有解释是正确和自洽的,尽管目前的论文草稿中还保留了少许过去对此持怀疑态度的痕迹。因此,为了避免任何可能引起的误解,我必须说明,埃弗里特的论文并不是有意要质疑对测量问题的现有解释,而是接受了现有解释,并且推而广之。 (原文特别对此加以强调。)


埃弗里特对哥本哈根诠释的态度,应该和惠勒的描述完全相反。一年以后,埃弗里特在回应《现代物理评论》(Reviews of Modern Physics)编辑布赖斯·S·德威特(Bryce S. DeWitt)的批评意见时写道:

哥本哈根诠释的不完整性无可救药,因为它先验地依赖于经典物理学……还是一个将“真实”概念建立在宏观世界、否认微观世界真实性的哲学怪胎。


就在惠勒去欧洲为埃弗里特的论文四处游说的时候,埃弗里特的学生延期服役资格即将到期。为了不被拉到新兵训练营里踢正步,他决定到五角大楼从事一份研究工作。他搬到了华盛顿特区,离开了理论物理学界,再也没有回来。


第二年,在和惠勒通了几次长途电话之后,埃弗里特心不甘情不愿地把论文删减到了原先长度的1/4。1957年4月,埃弗里特的论文评审委员会接受了论文删节版——里面没有再提到“分裂”二字。3个月后,《现代物理评论》发表了论文缩减版,题为《量子力学“相对状态”构想》('Relative State' Formulation of Quantum Mechanics)。在同一期杂志上,惠勒附了一篇文章,对他学生作出的发现大加赞赏。


论文发表后马上石沉大海,惠勒也逐渐撇清了自己与埃弗里特理论的关联,不过他仍和这位理论物理学家保持联系,鼓励他在量子力学方面多作一些研究,结果徒劳无功。在2006年的一次采访中,已经95岁高龄的惠勒回忆说:“没有人理睬他的理论,这让埃弗里特十分沮丧,也许还有点愤愤不平。真希望当时我能和他一起坚持这项研究。他提出的那些问题非常重要。”


核武器战略


普林斯顿大学终于授予了埃弗里特博士学位,此时他已在美国国防部工作了将近一年。他在那里接手的第一个项目是,计算核战争中放射性沉降物可能导致的死亡率。不久,他就在五角大楼极具影响力的秘密机构——武器系统评估小组(Weapons Systems Evaluation Group,缩写为WSEG)里,升任数学组组长。埃弗里特给艾森豪威尔政府和肯尼迪政府的高官担任过顾问,提出了选择氢弹攻击目标的最好方法,还提出了配置轰炸机、潜艇、导弹三位一体的核攻击能力,最大程度提高核打击威力的最优化方案。


1960年,他帮助撰写了WSEG第50号报告,这份报告至今仍属机密。按照埃弗里特的朋友、他在WSEG的同事乔治·E·皮尤(George E. Pugh)的说法,WESE第50号报告促成了后来几十年里美国一直奉行的军事战略,为这些战略提供了理论依据,其中就包括了所谓的“玉石俱焚战略”(Mutually Assured Destruction)。WSEG向核战争决策者们描绘了放射性沉降物在全球范围内可能导致的可怕后果,让他们确信维持一场永恒的对峙僵局是必要的,而不是向苏联实施核打击。


关于埃弗里特理论的最后一轮交锋也发生在这一时期。1959年春天,玻尔同意在哥本哈根与埃弗里特面谈。在6个星期的时间里,他们多次碰面,但毫无进展:玻尔没有改变立场,埃弗里特也没有重拾量子物理学研究。不过,这趟旅行不能说一无所获。一天下午,埃弗里特在他入住的厄斯特波特酒店(Hotel Osterport),一边喝着啤酒,一边在酒店信纸上,对数学界另一颗璀璨明珠——广义拉格朗日乘子法,进行了一项重要改进,这一成就终于让他赢回不少声望。这种方法又叫埃弗里特运算,简化了复杂运筹问题最优方案的设计过程:不论是部署核武器,还是安排准时制工业生产,甚至于规划校车行进路线以最大程度地减少种族歧视,这种方法都可以派上用场。


1964年,埃弗里特、皮尤和WSEG的其他几位同事,共同创办了一家私营防务公司——兰布达公司(Lambda Corporation)。这家公司的业务包括,设计反弹道导弹系统的数学模型和核战争电脑模拟程序——根据皮尤的说法,这套模拟程序被美国军方使用多年。埃弗里特热衷于利用贝叶斯法则(Bayes’ theorem)开发各类应用,这种数学方法可以把未来事件发生的几率与过去的经验联系起来。1971年,埃弗里特设计出“贝叶斯机”(Bayesian machine)的雏形,这种计算机程序能从经验中吸取教训,排除一些不太可能出现的结果,从而简化决策过程——这一能力与人类的直觉非常相似。兰布达公司曾经与五角大楼签订合同,用贝叶斯方法设计开发用于追踪来袭弹道导弹飞行路线的技术。


1973年,埃弗里特离开兰布达公司,与公司同事唐纳德·赖斯勒(Donald Reisler)一起创办了数据处理公司DBS。DBS研究武器应用,但是致力于分析政府补偿性计划带来的社会经济效应。赖斯勒回忆起他们第一次见面时的情景,埃弗里特“局促不安地”问他有没有读过他在1957年发表的论文。“我一下子就想了起来,还回答说:‘噢,我的天,你就是那个埃弗里特,写出那篇疯狂论文的疯子!’我念研究生的时候就读过那篇论文,当时还嘲笑了一番,就随手丢在一边了。”他们后来成了很好的朋友,不过都同意再也不提多重宇宙了。


三杯马提尼


尽管埃弗里特的事业蒸蒸日上,他的生活却变得颓废不堪。朋友们都知道他喜欢喝酒,而且酗酒情况日益严重。赖斯勒回忆说,他的搭档总爱在午餐时喝上三杯马提尼,然后倒在办公室里睡到酒醒——不过他总有办法高效完成大量工作。


可是,他的享乐主义并非反映一种轻松愉快的生活态度。赖斯勒说:“他是一个没有同情心的人。他用一种冷酷无情的逻辑来研究问题。公民权利在他看来毫无意义。”


埃弗里特以前在WSEG的同事约翰·Y·巴里(John Y. Barry)还质疑他的道德操守。20世纪70年代中期,巴里在摩根大通公司工作,他向老板推荐了埃弗里特,雇他开发一种预测股市走势的贝叶斯方法。据一些人说,埃弗里特成功了,但他拒绝把产品交给摩根大通。巴里评价说:“这个有才气、有创意,却不可靠、不可信的酒鬼,利用了我们。”


埃弗里特是个以自我为中心的人。DBS前雇员伊莱恩·蒋(Elaine Tsiang)说:“他奉行一种极端的唯我主义。尽管他努力让自己的多世界理论与其他的心理理论和意识论保持距离,但是很明显,(对他来说)我们所有人都存在于一个因他而出现的世界之中。”


就连他自己的孩子——伊丽莎白(Elizabeth)和马克(Mark),埃弗里特也漠不关心。


就在埃弗里特投身创业的时候,物理学界又开始艰难地审视起他那一度被忽略的理论。德威特的态度发生了180度大转变,成了这一理论最忠实的拥护者。1967年,他发表了一篇论文,提出了惠勒-德威特方程——一个量子引力理论应当满足的普适波函数。他在论文中赞赏了埃弗里特,因为埃弗里特证明了这种方法的必要性。随后,德威特和他的研究生尼尔·格雷厄姆(Neill Graham)编辑出版了一本物理学论文集,名为《量子力学的多世界诠释》(The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics),主要内容就是埃弗里特那篇未经删改的论文原稿。1976年,科幻杂志《类比》(Analog)上刊登的一篇小说,让“多世界”一词迅速在大众中普及流传开来。


1977年,德威特和惠勒邀请埃弗里特到美国得克萨斯大学奥斯汀分校举办一场演讲,介绍他的多世界诠释。埃弗里特不喜欢当众演说,他穿着皱皱巴巴的黑色西装,在整个演讲过程中连续不断地抽烟。量子计算领域的奠基人之一、现在在英国牛津大学任职的戴维·多伊奇(David Deutsch)当时就在现场。在总结埃弗里特的贡献时,多伊奇说:“埃弗里特超越了他的时代。他是拒绝抛弃客观解释的代表人物。为了寻求进展和突破,不论是物理学还是哲学,都逐渐放弃了它们的最初目的——解释这个世界,这带来了极大的损害。我们无可挽回地陷入了形式主义的泥沼,事物被视为无可解释的科学进步,真空则充斥着神秘主义、宗教信仰和各式各样的胡言乱语。埃弗里特之所以重要,是因为他挺身而出反对这种‘进步’。”


在得克萨斯的那场演讲之后,惠勒曾经想让埃弗里特加盟位于美国加利福尼亚州的圣巴巴拉理论物理研究所。据称,埃弗里特当时表示出了兴趣,但这一计划最终不了了之。


人生无常


1982年7月19日,埃弗里特在睡梦中死去,年仅51岁。他的儿子马克还记得那天早上发现父亲尸体时的情景,当时他只有十几岁。摸着父亲冰冷的躯体,马克意识到,在他的印象里,以前从来没有接触过父亲。他对我说:“当时,我不知道怎样面对父亲刚刚去世的事实。其实我跟他没有任何关系。”


不久以后,马克搬到了洛杉矶,成了一位成功的词曲作家、流行摇滚乐队Eels的主唱。他的许多歌曲都透出浓浓的悲伤之情——因为他父亲是一个冷酷无情、意志消沉的酒鬼。直到埃弗里特去世多年以后,马克才了解了他父亲的事业和成就。


1982年6月,在埃弗里特去世前一个月,马克的姐姐伊莉莎白企图自杀,这是她许多次自杀尝试中的第一次。马克发现她毫无知觉地倒在浴室地板上,及时把她送进了医院。他回忆说,那天晚上回到家已经很晚了,正在看报纸的父亲“抬头看了一眼,然后说‘我不知道她有这么悲伤’”。1996年,伊莉莎白服用过量安眠药自杀身亡,她在钱包里留了一张纸条,说她要到另一个宇宙去找她父亲。


在2005年的一首名叫《孙辈们应该知道的事》(Things the Grandchildren Should Know)的歌里,马克写道:“我从未真正理解/生活在自己的脑袋里面/他会有种什么样的感觉。”他那位有着唯我主义倾向的父亲一定能够理解这种困境。在那篇未经修改的论文末尾,埃弗里特总结说:“只要我们承认,任何物理学理论实质上都只是一个模型,用来解释我们所感知到的世界,那么我们就必须断绝寻找所谓‘正确理论’的所有希望……原因很简单,我们永远无法完整经历所有的体验。”


撰文  彼得·伯恩(Peter Byrne)

翻译  虞骏

审校  李淼

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