你在这里

【数学科普】一个几乎被遗忘的科学家的多重世界

一个几乎被遗忘的科学家的多重世界

格莱姆•斯得谱•莫洛克

关键词: 理论物理

编著:这篇文章首次出现在FQXi社区网站上。该网站是一个关于物理学、宇宙学以及数学的网站。在这些领域,它为公众对既有的知识和未来的发现做出深入的理解,从而影响和改变我们对世界的认知。FQXi是我们“科幻文学,科学世界”项目的合作者。你可以在该项目中,提出任何你想得到答案的关于前沿物理学的问题。这篇文章就是为了回答如下问题“平行宇宙存在吗?”。在FQXi网站,你还可以找到关于这个问题的其它文章以及播客。

“这个人有着优美而深邃的思维。这个无与伦比的天赋使得这位普林斯顿的数学家对博弈论有着深刻的洞见,然而,终其一生,他始终未能克服自己的心魔。”这不是约翰•纳什(博弈论专家)的故事,也不是某个诺贝尔奖获得者或者畅销自传书里、更不是奥斯卡获奖电影里的故事。我们要介绍的主人公,休•艾弗雷特,他的故事完全能够跟这些故事媲美。正是他提出了量子力学中的平行宇宙理论。

皮特•拜里

艾弗雷特并不是好莱坞演员罗素•克洛出演的电影角色。这个物理学天才的故事最后是被驻守在加州的调查记者皮特•拜里介绍给公众的。该记者曾得到FQXi三万五千美元的资助。拜里的本职工作是调查“企业和政府的渎职行为”。这是一个与量子物理和平行宇宙毫无关系的课题。但是,在2000年,他的朋友史蒂芬•申克—一个在加州斯坦福大学的物理学家,向他介绍了所谓的“诡异的物理学”。在写了几篇颇受欢迎的物理学文章之后,拜里正想找一个更好的可供报道的物理学题材。难道还有什么题材比报道提出多重宇宙的人更有意义的吗?

于是,像处理其他调查事件一样,经验丰富的记者拜里开始着手准备这个故事。他的第一个信息来源于一个俄裔的物理教材打印商—尤金•史可霍色夫。该打印商为艾弗雷特在线写了个传记。拜里一下子就被反英雄形象的艾弗雷特吸引住了。他注意到艾弗雷特是个酒鬼,有抑郁症,在自己的理论未被理解和获得尊重前就死了(一开始,艾弗雷特的理论被认为是胡说八道)。

随着拜里的深入调查,一个凡事缠身但有着巨大天赋的物理学家的形象开始浮出水面。

理论的诞生

艾弗雷特幼年没有正常的家庭生活。他的军人父亲和艺术家母亲在仍然需要到墨西哥去解除婚姻关系的时候就离了婚。艾弗雷特从来没有和他也患有抑郁症的母亲和解,但却非常喜欢他的父亲。

然而,在学业上,艾弗雷特总是名列前茅。在普林斯顿读研究生的第一年里,他就结识了很多前沿的博弈论理论家,并且写了一篇现在看来在该领域很经典的论文。

在研究生第二年里,他成功的邀请到了德高望重的约翰•惠勒当他的导师(约翰•惠勒在量子物理学和广义相对论领域曾做出了基础性贡献)。他的博士论文里就包含了他的革命性和持久性的多重世界理论。

拜里在艾弗雷特的独子马克•艾弗雷特(乐队Eels的创始人)那里得到了关于这个理论的一些新材料。在地下室里,马克保存了父亲一箱箱的遗物和文件。拜里说:“在那个地下室里,传记作者能得到做梦才能得到的资料,因为所有的东西尘封未动。我在那里找到了艾弗雷特毕业论文的原稿,我还找到了对他的理论有启发作用的三篇小论文。这些东西复兴了许多关于艾弗雷特真实思考的讨论。”

马克•艾弗雷特

后来,艾弗雷特开始研究量子力学中让人迷惑的度量问题。19世纪20年代,量子力学的先驱们在哥本哈根开会时,试图对某些现象给出标准解释。比如,在被观察前,量子物体不能在单一状态下存在而是被一个含有多个状态叠加的波函数所描述,形象的比喻为在一个盒子里,薛定谔的猫在同一时间即是活的又是死的。然而,一旦度量给定,波函数“奔溃”,量子物体只能选择一个状态。

但艾弗雷特不满意这个解释。从本质上讲,他想知道为什么仅仅因为观察者的介入,波函数就必须奔溃。他辩解道, 如果观察者本身成为叠加对象那么波函数就不必奔溃。相反地,由于观察者和量子物体之间的关联,观察者对物体来说可以“分身”成很多副本。如此,每一个量子状态的可能性都能被满足。猫能同时活着和死亡,恰恰是因为在平行的世界里。

惠勒对这个观点印象深刻,并介绍给了量子力学界的重量级人物尼尔斯•波尔。波尔当时主要负责哥本哈根解释。但是波尔没有理会这个观点。因此,艾弗雷特的毕业论文被砍掉了几乎四分之三,而且还被重新组织以便与波尔的观点的冲突减到最小。1957年,当文章发表的时候,没有立刻引起太多的反响。

拯救“平行世界”

波尔的反对重挫了艾弗雷特的积极性,他决定放弃待在学术界了。在毕业论文发表之前,他在五角大楼智库找了份工作,研究核战。在那里,他发现放射性物质的失控能引起比任何人能够想象到的更为严重的后果。他也研究过进攻性核武器和防御系统的“成本-效应”优化问题。他还写了高度机密的氢弹目标程式第一个软件“单一集成操作软件”的大部分源代码。

“艾弗雷特本身就是个奇爱博士”,拜里说:“本质上,他是个冷战的技术专家。这儿有一些他亲自设计的第三次世界大战的场景。而且他相信,在他的平行宇宙里发生过。”

但艾弗雷特以后的生涯与平行宇宙这个深奥问题没太多关系。他早期的工作倒赢得了一些地下追随者。其中之一就是拜里曾经与之交谈过的惠勒的前学生、拉莫斯国家实验室的沃杰克•祖瑞克。他说艾弗雷特给了一代物理学家以量子的方式了解宇宙的机会。这个与波尔的经典宇宙理论完全不同。

在19世纪60年代和70年代,理论物理学家、《现代物理评论》杂志的执行编辑布莱斯•德惠特发表了艾弗雷特的博士论文并高度赞扬了他的理论。尽管德惠特并没有完全同意艾弗雷特的观点,但被他的智慧所折服。德惠特曾写信给艾弗雷特说“并没有感觉到自己被分身”时,艾弗雷特反击说批评哥白尼的人也曾说从来没感觉到他们自己在天堂里穿越过。

同时,艾弗雷特和同僚们也创建了一个私营公司,专门为五角大楼运行分类好的计算问题。但几年后,公司破产了,艾弗雷特结束了仅仅为了生计而做的自己并不敢兴趣的计算问题。

从左到右: 查尔斯•梅斯勒, 黑尔•特罗特, 尼耳斯•玻尔, 休•埃弗雷特, 大卫•哈里森.

私底下,艾弗雷特也在挣扎。他嗜酒到每顿中餐要喝大量的马提尼酒,还在工作场所内外追求女色。他吃生汉堡,一天要抽三包烟。更要命的是,他与他的家庭完全失去了联系。尽管收到过多次警告,他很吃惊自己十几岁的女儿试图自杀。此事发生的一个月后,艾弗雷特以51岁的年纪于1982年死于很严重的心脏病。

很可惜的是,艾弗雷特没能看到自己的工作在现在的物理学家和宇宙学家中赢得的尊重。

有一些杰出的量子计算机科学家甚至认为量子计算机的能力来源于其它宇宙中解决复杂问题的“单元”的叠加,然后在这个宇宙中把答案重新组装起来。在2007年,《自然》期刊的封面专门纪念了艾弗雷特理论诞生50周年。

当然,现在这个理论仍然有争议,许多人发现它太难懂了。加拿大安大略省滑铁卢周界理论物理研究所的克里斯•福奇斯认为这是一个对宇宙的空洞的解释。在哥本哈根解释后,它没有告诉我们任何能导致量子理论发展的新内容。

“关于哥本哈根解释的一个自然反应就是它只描述了一个特定的方向,所以这(艾弗雷特的理论)是一个有意义的工作,因为到最后,我们确实得抛弃认为观察者是量子世界不可分割的一部分这个想法。这个理论确实这样做了。” 福奇斯说,“但是,这一个世界的认知对另一个世界可能不是非常有效。在这当中,你又要付出什么代价呢?”。

回望过去

拜里没有科学背景,但他认为正是他过去的记者调查的经历发现了艾弗雷特故事的主要价值。“我的一个技巧就是阅读大量的政府官样文章,收集一些有趣的事件。现在,我已阅读了大量的物理学文章。虽然大部分只阅读了其中的方程,但已经收集了足够一本书的故事。”

申克认可作为一个记者,拜里从新的层面诠释了艾弗雷特的生活,描述了一个带有人类缺陷的伟大科学家的点点滴滴。

“皮特从大量的文件中,挑选整个故事的本质部分,”申克说:“这并不仅仅是把一篇文章打印出来,然后试图理解它的意思的问题。他从整个人类群体的表象下面发掘,追根究底找出到底发生了什么,才写出了这个故事。”

所以,拜里相信存在这样一个平行世界,艾弗雷特在里面不用这样悲惨地受尽生活的折磨吗?

“当你想找出人们在另一个宇宙中怎么生活的时候,其他大部分的宇宙很可能或多或少跟艾弗雷特生活过的这个宇宙一样。所以,在大部分宇宙中,他可能过得不快活”,拜里说:“但也存在着无数的宇宙,在那里面,他不但过得很快乐而且还得了诺贝尔奖。”

原文链接: http://plus.maths.org/content/many-lives-hugh-everett-iii
作  者: 格莱姆•斯得谱•莫洛克
翻  译: 黄灿,密歇根州立大学数学系
校  对: 汤涛,香港浸会大学数学讲座教授