主题：Sean Carroll：如何理解量子力学 -- 万年看客

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非常感谢大家，我很有幸能来到皇家科学院。这是我最喜欢的谈论科学的场馆。当然许多前辈们也在这座场馆里讨论过科学并且留下了丰厚的遗产，不仅包括演讲，还包括现场试验，从迈克尔.法拉第到汉弗里.戴维无不如此。这一来我就比较吃亏，因为我是搞理论物理的，平时不怎么做实验。但是咱们这里毕竟是皇家科学院，所以我至少也要尝试着努力一把。当然我不能保证实验一定成功，这就是科学的妙处。我将要按动一个按钮，然后我的手机会通过互联网向瑞士日内瓦的一家实验室发送一个信号，然后实验室的某个装置将会向一面部分镀银的镜子发送一个光子。根据量子力学的原理，这个光子有可能遭到反射，也有可能穿透镜子。探测器将会探明光子的去向，届时将会出现两个宇宙，光子在两个宇宙里将会各自前往不同的去处。探测器的信号将会传输回我的手机，转换成两条指令之一，要么让我往左边跳一步，要么让我往右边跳一步，到时候我就跳（笑声）。咱且看法拉第有这本事没有（笑声）。我再重申一遍，这不是模拟，瑞士日内瓦的确有这么一台分光器，而且机器告诉我现在应该往左跳。（跳）我跳了！（笑声，掌声）谢谢大家捧场。

接下来还有很多内容，不过关键在于，根据我即将向大家解释并且试图说服你们相信其合理性的理论，刚才的确出现了另一个版本的宇宙，那个宇宙里的我往右边跳了一步。我相信这就是真实情况。你们或许不信，但是我希望等到本次演讲结束时你们能理解为什么会有我这样的人相信这一点是真的。今天的演讲主题是量子力学。假如你不打算了解量子力学却还是来到了这里，会务安排肯定出了大问题。我之所以想讨论量子力学，最坦诚的原因在于我最近写了一本关于量子力学的书，大家现在不用起身就能在手机上下单。不过就算你对量子力学仅仅了解一鳞半爪，也应该质问我：“我们为什么还需要另一本关于量子力学的书呢？”我认为这一点还是有原因的。我在加州理工学院的老前辈理查德.费曼说得好：“我认为我可以负责任地说，没有人理解量子力学。”我做科普讲座时一般不喜欢诉诸权威，但是既然物理学家都不理解量子力学，我诉诸一下最应该有可能理解量子力学的权威也不为过。

像费曼这样每天都在应用量子力学的人声称“没有人理解量子力学”的时候，他究竟是什么意思呢？实际上，现在我们能够以惊人的精确度来应用量子力学。我们能用量子力学进行预测，完成实验，得到符合量子力学规则的预期结果。问题在于，我们理解与使用量子力学的方式就像我理解与使用手机的方式一样。我能打开手机上的应用程序发送信号，我能发短信甚至打电话，可是你要问我“你这部手机的工作原理是什么？怎样才能造出这样一部手机？这部手机的技术参数是什么？”那我只能无言以对。这就是目前职业物理学家与量子力学之间的关系：谁都能用，谁也不懂。“量子力学的车前盖下面有什么？”“我也不知道啊。”我不懂手机倒是无所谓，物理学家不懂量子力学就很尴尬了。

真正的问题甚至还不在于物理学家不理解量子力学。“不理解”对于科学家来说没什么大不了的，毕竟科学前进的动力就在于“不理解”这三个字。要是不理解，我们就努力试着去理解。可是对于量子力学来说，我们现在已经连试都懒得试了。二十世纪二三十年代的时候，科学家们还曾经努力思考过量子事件的意义，但是后来这个项目却被抛在了一边。如今只有职业生涯走到尾声的物理学家们才会给自己倒一杯白兰地，穿上吸烟外套，思考一下量子力学的意义，正牌物理学已经不研究这个了。你要问今天的许多物理学家“量子力学是怎么回事？”他们会说：“不不不，我们不关心这个问题，我们不想知道。”我觉得伊索寓言里面吃不到葡萄就说葡萄酸的狐狸能够很贴切地比拟这种情况。照理说寓言是用不着解释的，但是为了避免误解，这里狐狸指的是物理学家（笑声），葡萄代表了对于量子力学的理解。狐狸试过了，失败了，现在正在试图说服自己相信自己从一开始就不打算尝试。我认为这样做不仅是错的，而且很丢人。我们理应做得更好一点。我有个想法，不是我的原创想法，而是我最喜欢的想法。我想向大家推销我最认可的量子力学理论。但是远远更加重要的另一点在于我们理应能够理解量子力学。量子力学不是神话，不是魔法，仅仅只是科学而已。

我先带大家回顾一下量子力学是怎么来的。我们要从十七世纪的经典力学开始讲起。当时艾萨克.牛顿发现世界的运行只需要几条非常简单的规则就能描述。这套规则如此强大，以至于很长一段时间里人们从没想过经典力学居然会出错。经典力学就是物理研究的基础框架，从电磁感应到爱因斯坦的广义相对论都能安置在这个框架里面。量子力学则是彻底的另起炉灶，不是针对经典力学的改进，而是彻底的更替，换句话说量子力学认为牛顿错了。两种力学之间的差异可以用这张我们全都见过的卢瑟福原子结构模型示意图来体现。我们在十九世纪就发现了原子的存在，但是最早的原子模型就像一块大布丁，里面塞着几个电子。欧内斯特.卢瑟福发现情况并非如此，原子的绝大部分质量都集中在核心，电子是很轻的带电粒子，围绕原子核旋转。这张示意图想必你们都见过。这张图多少还是有点用的，能让我们对原子结构产生直观的认识。从化学到电力传输，所有这些现象全靠电子才能完成。沉重的原子核端坐中宫，电子则可以从一个原子跳跃到另一个原子。

我现在要告诉大家，这张图画得大错特错，根本反映不了现实世界。因为在十九世纪，还有以法拉第为代表的一帮人发现了电磁学，詹姆斯.克拉克.麦克斯韦尤其为这个学科添加了点睛之笔。根据电磁学理论，一个带电粒子会释放出电场。如果我移动这个电子，电场也会随之移动，重新指向电子。如果我拿着电子上下摇晃，电场就会产生波。我们将这种电磁辐射波称作光。现在大厅里所有的光照都源自上下摇晃电子，让电场振动向各个方向散布。按照卢瑟福原子模型的设想，电子既然绕着原子核旋转运动，就应当释放电场，释放电场就意味着流失能量，流失能量就意味着电子无法稳定地呆在旋转轨道上，而是会一头扎向原子核，而且这个过程将会发生得非常快。你自己算一下就知道，仅仅需要一千亿分之一秒电子就会从旋转轨道上一头栽下来。我们现在就可以集体做个试验来验证一下。这张桌子是原子构成的，你我也是原子构成的。根据我的预测，倘若经典力学是正确的，从现在开始一千亿分之一秒之内所有这些物质都会坍缩成一个点。预备，起，并没出这种事（笑声），可见经典力学的深处埋藏着某种错误。很多聪明人花了很长时间尝试了很多思路，这才想出一套站得住脚的解释。

以下就是他们想出来的解释。尽管物理学家们花了不少时间，但是这个解释实在过于惊人，他们能在这点时间里想出这个解释着实令人称奇。用一句话来概括：电子不是粒子。这个解释听上去确实很有颠覆性，所以我要深入解释一下。从根本上来说，电子其实是波。我们不该将电子视作在轨道上运行的一个点，就像太阳系里的行星那样。相反，我们应当将电子视作一团围拢在原子核周围的波状云。在座各位当中要是有人被大学化学折磨过的话，就能认出这些不同形状的电子云代表了处于不同轨道的电子。就好比你绷紧一根线之后弹一下，这根线会以基本频率进行谐波振动。在电子云当中有能量最低的部位，也有看上去更复杂的高能部位。因此电子之所以没有坍缩到原子核上面去，是因为电子云能量最低的部位并不是原子核所在的正中心，而是像波一样分散了开来。这个解释大约是在十九世纪中期提出来的。你甚至可以用这个解释来分析实验数据，例如为什么原子释放的光具有特定形态。更强的是，这个解释还搭配了一个公式，这就是埃尔温.薛定谔提出的薛定谔公式。这个公式我就不展开分析了，你完全可以将这个公式视为一首坚不可摧的诗歌。关键在于，我们现在不仅有了全新的理念——电子是波，不是粒子——而且还有了全新的公式来取代牛顿的公式。牛顿的公式主张力等于质量乘以加速度。你只要知道了粒子的位置与速度，牛顿经典力学就能告诉你这个粒子接下来的状态。在量子力学当中，你告诉我某个电子的波函数，薛定谔公式就能告诉你这个电子接下来的状态。

这一来物理学家们自然十分高兴，因为只有公式才能略微温暖一下物理学家的心灵。公式就相当于物理学家的饭碗，至少肯定为物理系大二学生们找了不少事做。多少大二学生曾经彻夜不眠，运用薛定谔公式解决量子力学问题。问题在于，正是因为我们现在有了毫不含糊的公式，我们理应可以运用该公式解释一切物理现象而不仅仅局限于轨道上的电子。刚才我说过，量子力学是针对经典力学的替换，那么我应理应可以运用该公式做出各种预测。以下是一个量子力学现象：一个原子的原子核可能会不稳定，于是就会衰变并且释放电子或者其他带电粒子。薛定谔公式能够预测这些粒子的释放方式。既然电子是波，那么释放方式理应像球状的涟漪那样以辐射粒子为中心扩散开来。但是实际情况看上去却是另一回事。我们可以将一块铀放在云室里观察铀释放辐射，这些辐射会激发云室里的原子并且留下痕迹。我们打眼一看就会发现所有的痕迹都是直线，简直就好像有无数颗粒从铀当中向四面八方喷射了出来一样。薛定谔公式的预测结果可不是这样。简直就好像电子在你不注意的时候是一团波，当你定睛观瞧的时候又变成了粒子。

二十世纪二十年代末期的物理学巨头们都在苦苦思索这个问题。爱因斯坦、玻尔、薛定谔、狄拉克、泡利、海森堡等等一干人凑在一起开会讨论这究竟是怎么回事。会议得出了以下共识：电子在你不观察时是一团波（笑声），当你观察时则是粒子。悲哀的是，直到今天这套名为哥本哈根诠释的说辞依然是量子力学界最领先的理论。我们通过下列方式化解实验结果与理论之间的相互矛盾：在观测之前，电子可以用波函数描述，就像一团扩散开来的云；在观测之后，波函数则会以无法预测的方式剧烈变化，坍缩成一个点，看上去就像粒子一样，我们至多只能预测这个新粒子出现在某个位置的概率。空间里任何一点的波函数数值越大，我们就越有可能在这一点发现粒子。这就是目前我们教给学生的量子力学规则。我没有跟各位开玩笑，我不会在讲座结尾表示“呵呵，二十世纪二十年代的物理学家们真傻。”我们至今依然在使用两套互不相容的规则来描述量子力学。第一套适用于未经观测的量子体系，此时粒子处于量子态或者说波函数当中，薛定谔公式可以精确描述波函数随时间推移的表现。这套规则与经典力学完全平行，也包括针对物体状态与状态变化的描述。但是经典力学就到此为止了，在受到观测之后，量子力学随即改用了另一套截然不同的规则。波函数一经观测就会坍缩成为特定值。你只能大概猜测波函数会坍塌在哪里，但是永远无法绝对确定。以上就是现今物理课本里的内容。

如果你现在觉得这个情况有点别扭，这不是你的错。你要是觉不出别扭反而不应该。很多人上学的时候头回听到这种事也都觉得别扭。他们举手问老师，老师让他们闭嘴（笑声）。他们要是接着问老师，老师就说他们不适合搞物理。我本人最喜欢的一个思想实验就是薛定谔的猫。许多人都以为这个思想实验的目的是为了显示量子力学多么反直觉，可是在量子力学双重规则刚刚提出来的时候，薛定谔与爱因斯坦是唯二不肯买账的人。尽管薛定谔发明了薛定谔方程，但是当针对他的公式的诠释被人当成了计算概率的手段时，他气得亲口宣称“我希望我从来没有与这个公式扯上过关系。”当然他并没有把自己的诺贝尔奖退回去（笑声），但是在一段时间里他确实很不爽。当年薛定谔与爱因斯坦通过一系列横跨大西洋的通信交流设计了这个思想实验，其用意并不是为了表明“量子力学多么神奇”，而是为了表明“这么扯淡的事情肯定有问题”。这个实验的本质是选取一个量子波函数，使之体现多种可能性的叠加，然后将微观体系扩大到宏观体系。

在实验当中，薛定谔找来一个正在衰变的放射原子，在旁边放一个监测衰变的探测器。根据量子力学规则，原子核的波函数是衰变与未衰变两种状态的叠加。因此探测器也应当处于监测到衰变与未监测到衰变两种状态的叠加。假如探测器监测到叠加，就会开启一个容器，释放出里面的气体，充满罩在外部的盒子。盒子里还有一只猫。根据薛定谔的最初设定，释放出来的气体是氰化物。他女儿日后表示：“我觉得我父亲不喜欢猫。”（笑声）鄙人是个爱猫人士，所以要改用催眠气体。根据量子力学规则，这只猫也会处于睡着与醒着之间的叠加态。我们并非不知道猫究竟是睡着还是醒着。根据我刚刚告诉大家的规则，在我们观察之前，猫的状态的确是既睡着又醒着的叠加态。根据经典力学，我们可以说这只猫要么睡着，要么醒着，我们不知道。这是个认识论问题，不是本体论问题。问题的关键是“我知道什么”而不是“实际是什么”。但是根据量子力学，猫就是可以既睡着又醒着。薛定谔认为，如果我当真相信这一套，当真相信教科书上的说法，那么只有当我打开盒子查看的时候，猫的状态才会确定下来。教科书版量子力学规则的一部分核心理念在于观察者——或者说进行测量的物理学家——要遵守经典力学规则。根据哥本哈根诠释，就算你由原子构成，而原子又遵循量子力学规则，但是你却不遵守量子力学规则，而是遵守经典力学规则。于是猫受到了量子力学的待遇，观察者——画面上这位观察者是玻尔——则受到了经典力学的待遇。观察者不会受到波函数的影响。观察者掀开盖子之前，猫处于叠加态。一旦观察者掀开盖子进行观察，要么猫醒着，观察者也看到它醒着；要么猫睡了，观察者也看到它睡了。两种截然不同的选择，你能分别计算出两种选择的可能性。

问题在于，这番场景显然是在发疯。我们显然不能接受这么扯淡的情况作为解释自然界的基本理论。这个实验从头到脚都是漏洞，薛定谔与爱因斯坦坐在礼堂后排举手质问：“这玩意你们不会有人真信吧？”其他人全都假装没听见。我这里先指出两个最显著的问题。首先是著名的观测问题。在我刚才表述的规则当中少不了观测行为的存在，那么“观测”究竟是什么意思呢？必须要靠人类来进行观测吗？猫自己观测自己行吗？如果盒子里装的不是猫，而是录像机、蚯蚓或者阿米巴虫，那也算吗？我要是不仔细看，就瞅一眼又怎么样？（笑声）观测的定义是什么？观测是即时发生的吗？观测结果为什么与概率有关？你要是坐在量子力学教室后排举手提问这些问题，老师会告诉你不要问，因为没有合理的答案。但是还有一个同样棘手的问题，也就是现实问题。一开始我说过电子是波或者说波函数，不过真是这样吗？量子力学的规则规定了我们永远无法直接观测波函数，我们无论何时观测电子都只能观测到一个粒子。那么波函数当真能体现现实吗？还是说波函数只是用来预测潜在观测结果的工具呢？波函数是否仅仅体现了部分现实而不是全部现实呢？现实究竟是啥呢？我们不知道。所以许多物理学家试图向公众普及量子力学时一不小心就会自己把自己绕进去。原子内部主要由空荡荡的空间构成吗？如果你将电子视作波函数，答案就是否定的；如果你认为电子是波函数当中的一个点，答案就是肯定的。所以就连这些非常简单的问题的答案我们都不知道，作为物理学家我们要知耻。

长久以来有无数年轻人信心满满地投身于物理学领域，放出豪言“我要解决这些问题！”然后就被物理学踢出了门外。这其中有一位休.埃弗莱特，他在二十世纪五十年代提出了量子力学的埃弗莱特诠释——当然这个名字不是他自己起的。在某种意义上来说，埃弗莱特的身份更贴近治疗师而不是物理学家。他放弃了物理学家这个身份，为的是接受物理学家们一直不肯承认的现实。现实是什么？观测时发生了什么？对于这两个问题，埃弗莱特给出了非常简单的回答：首先，波函数是全部现实的代表，而不仅仅只是用来预测的工具，波函数与现实是同构的；其次，在观测时究竟发生了什么？波函数并不会坍缩，并不会发生什么概率性的随机现象，唯一生效的就只有薛定谔公式。这个公式在一切时间里对于宇宙当中的一切事物都有效。这番话说得倒是大言不惭，可是我们已经论证过了不可能真是这样。薛定谔公式预测辐射会像波一样扩散，可是我们看到的辐射却是一条条直线。但是在我们解决这一点之前，我想先强调一下埃弗莱特的理论有多么简单。与哥本哈根诠释相比，埃弗莱特的理论非常简洁。他去除了一切涉及观测与坍缩的内容，只保留了根据已知公式推导出来的波函数。他没有像量子力学的范式添加任何内容，反而砍掉了不少内容。

问题在于这套规则怎样才能匹配电子看上去像粒子的现实呢？埃弗莱特利用了量子力学的两项内容，并且认为只要接受了这两点一切问题就都能迎刃而解。首先，既然你是由原子构成的，那么你也是量子体系的一部分。你并不遵循经典力学规则。经典力学仅仅是在某些条件下可以将就使用的估算手段。观测者与观测对象都应当按照量子规则来对待。其次，埃弗莱特利用了量子力学当中名为纠缠的现象。这个现象最早是爱因斯坦提出来的。如果说我们对于爱因斯坦有什么误解的话，那就是我们大都低估了他。当然，爱因斯坦现在的评价已经达到了二十世纪第一人的程度，但是好些人都以为爱因斯坦在二十世纪二十年代量子力学显现雏形的时候——他与玻尔等人正是在1927年的索尔维会议上敲定了量子力学的规则——已经年岁老迈思维迟钝了，倒向了保守立场，跟不上物理前沿的发展。可是1927年爱因斯坦只有四十八岁（笑声），我绝不肯承认四十八岁就是跟不上理论前沿新发展的老年时期。事实上爱因斯坦对于量子力学的理解比任何人都更加透彻。问题在于他不肯接受这套理论，他认为这套理论还没有完成。他不认为哥本哈根诠释足够好。他在认真思索之后发明的理论补充之一就是量子纠缠。

为了解释量子纠缠，我要借用一下我们在2012年发现的希格斯粒子。当然，爱因斯坦那时候的物理学家们还不知道希格斯粒子的存在，但是用这个粒子来说明问题依然很方便，因为除了希格斯粒子之外，我们已知的自然界全部其他基本粒子都会自旋。根据量子力学规则，就像观察盒子里的猫一样，当你观测一个正在自旋的电子时，这个电子要么顺时针旋转，我们称之为上旋，要么逆时针旋转，我们称之为下旋。我们从未见过两种旋转状态的叠加。根据量子力学规则，当你不观测时，粒子自旋状态的确是向上与向下的叠加。希格斯粒子不会自旋，但是会衰变成两个自旋的粒子。由于宇宙当中的自旋总量是恒定的，一个不会自旋的粒子衰变产生的两个自旋粒子的旋转方向必然相反。一个希格斯粒子会衰变成一个粒子与一个反粒子，我们在观测之前不可能知道两个粒子的自旋状态，但是只要确定了一个就能肯定另一个必然相反。换句话说，根据量子力学规则，希格斯粒子衰变产生的两个粒子处于粒子一向上粒子二向下与粒子一向下粒子二向上这两种状态的叠加。两个粒子的自旋方向不可能一致，否则就违反了角动量守恒。

这一步主张尽管只是为了保全角动量守恒才推导出来的，但是却具有非常深刻的含义，直指经典力学与量子力学的根本差异。扔给经典力学一堆粒子，经典力学会将每一个粒子的状态单独开列出来，因此你或许会觉得对于量子粒子来说，每一个粒子都有单独的波函数。但是不，不是这么回事。并非宇宙当中的每一个角落都有属于自己的波函数。宇宙当中就只有一个波函数，也就是史蒂芬.霍金所谓的宇宙波函数。根据宇宙波函数，希格斯粒子衰变产生的两个粒子之间存在着联系，相互纠缠在一起。测量粒子一的自旋状态时我们不知道结果会是什么，但是肯定会与粒子二的测量结果相反。二十世纪二十年代的物理学家们还不知道有这种事，但是到了三十年代以爱因斯坦为首的一干人就提出了这一理论。又过了三十年，休.埃弗莱特应用这一理论提出了他自己对于观测难题的解答。以下是埃弗莱特对于薛定谔毒猫实验的解释。仅仅存在一个宇宙波函数，而你这个观测者也是这个波函数的一部分——现在观测者由埃弗莱特担任——因此也就不会出现神奇的波函数坍塌。我们只要老老实实地按照薛定谔公式进行计算就行了，你我就像电子与猫一样都要服从公式。当你打开盒子时，没有发生任何神奇而突然的事件，仅仅是观测者与被观测对象之间产生了互动或者说物理关系，致使两者纠缠在了一起。因此薛定谔公式的结果依然明确无误：打开盒子时猫与你都处于叠加态，要么猫醒着你也看到猫醒着，要么猫睡了你也看到猫睡了。人人都同意这就是公式的预测结果。

问题在于，从没有人在打开盒子的时候感到过自己处于看到猫醒着与看到猫睡了的叠加态，从没有人在观测电子的时候感到过自己处于观测到上旋与观测到下旋的叠加态。因此尽管埃弗莱特的主张在数学层面上不能说不合理，但是实在不符合我们的生活经验。埃弗莱特要怎样才能将这条优美的理论与现实世界结合在一起呢？答案在于我刚才遗漏了一点内容，聪明的听众们或许已经发现了我的漏洞。我刚才主张全宇宙只有一个涵盖万物的波函数，但是我现在却假设体系当中只有一只猫与埃弗莱特。严格来说，我应当将整个宇宙都考虑进来。不用害怕，这样做其实很简单。我们只要在思考过程当中加入“环境”这个词来指代全宇宙就行。环境的具体状态无关紧要，重要的是根据薛定谔公式环境会与猫以及观测者进行互动。以我们这个礼堂为例，环境就是一切我没有关注的东西，包括空气当中所有的原子以及灯光当中所有的光子。就薛定谔实验而言，盒子内外的一切都是环境的一部分。早在你打开盒子之前，盒子里的环境就会与猫互动。假设猫醒着到处走，某一个光子可能会被猫吸收；假设猫睡着躺平了，同一个光子可能就会与之擦身而过。这个现象叫做退相干。猫或许会因为睡着与醒着的状态不同而处于两个不同的位置，但不会因此而保持两个不同的身份，而是完全与环境纠缠在了一起。在我打开盒子之前，要么猫醒着而且环境观测猫醒着，要么猫睡着而且环境观测猫睡着。然后我打开盒子进行我所谓的“观测”，可是观测行为其实早就发生了。现在我与猫以及环境都纠缠在了一起，情况与刚才略有不同，猫依然在波函数的一部分醒着，在波函数的另一部分睡着，但是我并没有关注环境，并不知道环境的状态。但是我知道，猫睡着的环境与猫醒着的环境截然不同，以至于在猫醒着的那部分波函数当中发生的事情与在猫睡着的那部分波函数当中发生的事情完全相互独立。就算我扰动了波函数的这个部分，也不会影响到波函数的那个部分。所以说，退相干或者说猫与环境的纠缠致使波函数分成了两支，从此之后直到宇宙终结都将会各自独立地发展变化下去。两个分支不再相互影响，不再关心对方是否存在，就好像变成了两个相互隔绝的世界。因此埃弗莱特的量子力学诠释也被称作多世界理论。

就像一开始的手机实验一样，这一理论预测每当我测量量子体系时都会使其与更广大的世界纠缠在一起，产生两个乃至更多个版本的世界，每个世界都包含一个测量结果。我需要强调的是，埃弗莱特并没有将无穷多个世界强加在量子力学理论上面，他只是认为无穷多个世界从来就存在。既然电子可以处于上自旋与下旋的叠加态，而你又相信量子力学，那么你也可以处于观察到电子上旋与观察到电子下旋的叠加态。更进一步，宇宙也可以处于两种结果的叠加态，数学表明叠加的两种状态将会分道扬镳，从此再不相关。所以埃弗莱特并没有为了解决观测问题而硬塞进来一堆世界，他主张所有这些世界早就存在，没什么大不了的。只要信任公式，想一想假如世界当真如此的话你会观测到什么，然后就会发现这正是实际观测结果。

惊人的是，居然并非所有人都认可他这套理论（笑声）。我能开出一张反对多世界理论的脑残观点的漫长清单，但是我又害怕现场真有人相信这些观点，而我实在不想将大家称作脑残（笑声）。我这里姑且解释一条最常见的反对意见。不幸的是，我之前向人们解释为什么这些反对意见不成立时，对于这条意见的解释工作做得最少。这也是在今天的演讲当中唯一一次我想对大家说“相信我就对了”的时候（笑声）。只要你有能力进行数学推导，我接下来讲得道理还是很清楚的。问题是创造这么多宇宙的能量从何而来？我们身边从桌椅到宇宙全都是物质，难不成我按一下手机所有这些物质就要翻倍了？这似乎与能量守恒的理念很难相容。其实这其中的数学原理很清楚，只是我们的直觉反应不过来，难以将其转换成日常用语。简而言之，世界在被创造时并不平等。你可以想象多世界理论当中的每一个世界都具有特定的厚度或者说重量，随着世界越来越多，每个世界也越来越薄。全部世界的总厚度保持不变，每个世界的厚度与波函数的平方成正比，因此你可以计算出自己身处某个特定世界的概率。只要你按照波函数每个分支的厚度对该分支的能量总额进行加权计算，就会得到一个不变的常数。因此根据公式，确实存在某种守恒不变的东西，你可以将其称作“能量”，不过这里所指的能量是所有不同世界的能量的加权组合。总之，创造多世界不需要额外的能量。

尽管以上论述是正确的，但还是有人不买账。接下来我想花点时间介绍几项其他可能正确的理论，因为我们在谈论量子力学时经常使用“诠释”这个词，以至于听起来有点像文学批评，就好像我们正在以各自的主观方式审视同一个世界那样。在二十世纪二三十年代兴许确实如此，但是如今多世界理论的替代选项就像多世界理论一样是论证严格、定义清晰、彼此间泾渭分明的物理理论。其中之一是隐变量理论，与这一理论联系最密切的名字是戴维.玻姆。玻姆的博士生导师是大名鼎鼎的罗伯特.奥本海默。奥本海默一开始大力支持玻姆的学术生涯，直到玻姆提出隐变量理论为止。在那之后奥本海默在一次研讨会上宣称，“如果我们无法阻止玻姆，至少也要集体无视他。”（笑声）另一方面，爱因斯坦则很看好隐变量理论。这一理论是解决电子没人看着时像波有人看着时像粒子这一谜题的直接方式。隐变量理论认为电子既是波又是粒子。波函数不是全部现实，只是部分现实，另一部分则是粒子。这些粒子就是所谓的隐变量，当你观测波函数时就会出现。还有一种可能认为波函数的确会坍缩，罗杰.彭罗斯是这种自发坍缩理论或者说GRW理论的支持者。这一理论认为波函数并非因为有人看着才会坍缩，而是会随机性地自发坍缩，只要等待足够长的时间就行。一个波函数扩展开来的粒子只要等上三亿年就会自发局域化。这个时间固然很长，但是一张桌子里包含的粒子数量实在太多了，里面难免有一两个粒子眼下正在局域化，而且这一两个粒子又与其他所有粒子纠缠在了一起，所以桌子才具有实体。以上是两种不同的物理理论，包含了不同的变量与公式，意味着可能不同的实验结果。这就是目前我们掌握的最尖端理论。如果你同意我认为我们应该理解量子力学的观点，但是不同意我支持多世界理论的立场，那么你也可以试着探索一下替代选项。

一般科普演讲都有个规矩：前三分之一所有人都能听懂，中间三分之一买了你的书的读者能听懂（笑声），最后三分之一就不该指望有人能听懂。我们现在即将进入本次演讲的最后三分之一（笑声）。就算我刚才讲的内容在细节上还不太清楚，至少主旨应该是清楚的，主旨就是搞清楚量子力学的原理很重要。“我们不太清楚测量的时候发生了什么，但是凑合着还能继续推进物理学进步”，我认为这样的看法很不对，不肯直面我们不理解量子力学的事实妨碍了我们解决其他物理学问题的进程。我们觉得这世界遵循量子力学规则，但是在实践当中却不会依此行事。这里的“我们”指的是职业物理学家，一帮拿着高薪的聪明人。我们的本能直觉依然认为经典力学才是这世界的基础，毕竟这么大一张桌子就摆在这里，占据了空间与位置——这种想法实在太守旧了（笑声）。我们在针对宇宙当中的新物质开发新理论时也受到了这种思想的影响，无论是电磁场、夸克还是振子。我们总是会先从经典理论出发，再将理论量子化。问题在于自然界不会这么做。自然界的根源很可能就是量子力学，经典力学只是有限的估算，仅仅在非常特定的条件下才能精确体现一小部分现实。因此从经典理论出发再将理论量子化的惯常做法没有理由一直生效。或许当我们需要理解某些特别微妙的事物时，将会不得不从量子力学出发，半道上再引入经典力学作为估算手段。量子力学多世界诠释很适合完成这项工作。多世界诠释涉及了波函数与薛定谔公式，纠缠与随时间演变，这些全都是量子力学的概念。如果你愿意，倒是也可以将位置与动量之类的经典力学概念添加进去，但是这些概念并不是这一理论的固有组成部分。与其他版本的量子力学理论不同的是，多世界理论完全摆脱了经典力学的包袱。

所以我们来看看能不能根据这一原则在一个困难问题上取得进展吧。让我们以量子引力为例。量子引力是什么意思呢？有请爱因斯坦再次登台。现在我们一想起爱因斯坦眼前就会浮现出一个顶着一头鸟窝穿着皱巴巴毛衣的小老头形象，可是当年他提出相对论那会儿可是个衣着笔挺的帅小伙，头发也梳得一丝不苟。爱因斯坦提出了广义相对论与狭义相对论这两项思想。1905年他提出了狭义相对论，将时间与空间焊接在了一起，并且指出光速恒定且为宇宙当中的最高速度。十年之后他又提出了广义相对论，指出我们生活的这个时空四维结构可以被弯曲与扭曲。你我将时空结构的弯曲视为引力。在爱因斯坦看来，苹果之所以会从树上掉下来，是因为地球扭曲了周围的时空，使得苹果从树梢脱落之后自然而然地靠拢了地球。这是一个非常成功的引力理论，并且能够完美地安置进入经典牛顿力学范式当中。当然这一理论与牛顿法则并不一致，但是两者的范式是一致的：时空结构弯曲对应一般物体，爱因斯坦公式对应牛顿定律，时空结构随时间演化对应物体运动状态随时间演化。整套理论完全不需要量子力学的参与。

但是鉴于我们也有量子力学，我们还想要调和量子力学与广义相对论，这就是量子引力理论想要实现的目标。对于我们所知的任何其他一种自然力来说——从电磁力到原子核内外的强弱相互作用力，从希格斯粒子到电子与夸克——从经典力学出发寻求量子力学解释的做法都取得了不错的成果。当然这样做并不总是很容易，例如理查德.费曼就是因为通过量子理论解释了电磁感应才拿到了诺贝尔奖，耗费了他不少脑力，但是最终他还是算出来了。可是对于引力来说，我们到目前为止都失败了。引力量子化只会得到一堆毫无意义的结果，本应有限的数值变成了无限大，完全是一团糟。我认为这是因为我们的出发点错了。广义相对论的核心思想在于时空结构的几何形态与能量有关，时空结构会受到其中物质所蕴含的能量的影响，反过来也会影响后者。为了用量子理论来表述这句话，我认为或许我们不应该量子化引力，而是应该在量子力学当中、在宇宙的波函数当中寻找引力。我们口口声声说什么我们不理解量子引力，可是我们就连量子力学都不理解，我们凭什么认为自己有资格理解量子引力呢？所以让我们换个新思路吧。

当我们这么做的时候，我们可以略微取个巧，采用一点我们确实已经理解了的事物。我们可以暂且忘掉引力，先考虑其他作用力与粒子。我们现在有一套理论框架可以用来讨论这些事物，名叫量子场理论。此前我做过很多关于电子、光子以及其他粒子的讲座，但是这些粒子都是对于真正基本的物理现象的近似估算，真正的基本现象就是量子场。我们今天在这个场馆讨论量子场倒是很合适，因为当年正是迈克尔.法拉第率先提出了场是一切的基础的理念，不过他当年研究的是电磁场。好比说一块磁铁周围要是不撒铁屑，我们就只能看到空荡荡的空间，但是我们知道磁铁周围存在着磁场。根据现代量子场理论，一切——不仅是电力与磁力这样的力量，而且就连电子、中微子与夸克这样的物质——都是填充整个宇宙空间的场的振动。这种观点与基于粒子的物理学观念可谓大相径庭，至少在看待不存在物质的空间时是这样。按照基于粒子的观点，空间当中存在粒子，粒子之间什么都没有，什么都不会发生。根据基于场的观点，粒子只是一种表达方式，代表粒子的场中的波的振动强度比代表空间的波的振动强度更强。但是即便对于空间来说，场也依然存在，只不过处于能量最低的状态、尽可能地不活动而已。我们将量子场各部分的不同振动频率称作模式。即便在空荡空间的最空荡部分也依然存在电磁场与引力场，所有这些场都具有特定的量子态，换句话说这些量子场模式正在假装自己是空无一物的空间，但是它们依然存在。

接受了这样的设定之后，我们就能讨论这些不同的场之间相互纠缠的问题了。鉴于我们现在以量子力学作为讨论基础，我们能拿来用的概念并不很多，纠缠就是其中之一。所以假如空间当中有不同区域，充斥着振动频率不同的量子场，那么这些场也会相互纠缠，而且距离越近纠缠程度越深。无论空间一开始是欧式几何结构还是黎曼几何结构，代表空间的那一部分量子场之间的关系都非常简单，只要测量纠缠程度就知道它们彼此之间的距离，反之亦然。所以我们的理念、提议、暗示、猜测或者说假设是我们可以逆转这个过程。既然量子场之间距离越近纠缠程度越深，那么纠缠程度越深的量子场距离也肯定越近。换句话说我们可以将“接近”定义为“高度纠缠”，将“远离”定义为“不太纠缠”。我们想问的是，空间本身以及空间的几何结构——也就是距离与角度之类的东西——能不能从一开始本质上并不包含空间因素的量子波函数当中自然涌现出来。答案是肯定的。假如波函数具有某些特质且纠缠结构以特定方式运作，自然就会产生三维空间。换一个波函数，或许就会产生曲率各异的五维空间或者二维平面。所以说，空间的几何结构与空间当中量子场的纠缠情况有关。

与此同时，量子场的纠缠情况也与空间当中的能量有关。假设我们向空间当中添加几个粒子，这样做究竟是什么意思呢？这意味着我们略微振动一下量子场，这一来就打破了振动区域与周边其他区域的纠缠。我们出于直觉地意识到，减弱纠缠就意味着加强振动，而加强振动就意味着注入能量，因为你毕竟加入了一个粒子。你需要加入一大堆粒子才能做成一张桌子，为了加入这些粒子你必须打破桌子所在区域的真空状态与周边区域之间的纠缠。实际上你还可以就此总结一项公式，将空间里的纠缠程度与能量联系起来。能量与纠缠程度是负相关的关系。这意味着什么呢？这意味着我们可以从纠缠这一纯粹的量子力学概念出发。在特定条件下，特定的空间几何形态会从量子波函数的纠缠结构当中涌现出来。与此同时我们也可以将能量的高低与纠缠的程度联系起来。因此只需进一步推导一下我们就可以将特定的空间几何形态与空间当中的能量高低联系起来。这正是爱因斯坦在一百多年前在广义相对论当中教给我们的东西。爱因斯坦当年还没有纠缠的概念，他只是主张能量与空间几何形态直接相关，我有公式能够体现两者之间的关系。之前我们推导爱因斯坦公式时还需要接受一大堆假设，如今则可以从更本质的层面来理解这一公式。

当然，量子引力一个正在进行的项目，我不想过度推销我自己的主张。很有可能我刚才说的话都是扯淡。这是一个猜测性质的项目，我们不再试着量子化引力，而是询问我们已知的引力特质如何能从纯粹的量子力学描述当中涌现出来。目前这个项目看上去还是挺有搞头的。请大家姑且先关注几年，看看这个项目的后续发展怎么样。还有很多聪明人正在推进其他理解量子力学的方式，他们大概会说我们不太可能成功，但是现在我们还什么都无法肯定，这就是物理学理论前沿的情况。我之所以喜欢量子引力理论，是因为这一理论至少充分应用了埃弗莱特量子力学诠释的哲学：你不该从位置与粒子之类的概念入手来理解量子力学，而是应当从量子波函数入手推导出一切。

最后我要再引用一位英国物理学家、埃弗莱特诠释的支持者大卫.多伊奇的言论：“尽管量子理论取得了无与伦比的实证成功，但是认为该理论或许是对于自然界的真实描述的暗示依然会招致讽刺、茫然乃至愤怒。”我希望我今晚的报告至少能让大家不那么茫然。谢谢大家。