量子力學(xué)詮釋問題

量子力學(xué)詮釋問題（一）作者：孫昌璞（中國工程物理研究院研究生院北京北京計(jì)算科學(xué)研究中心） 1引言：量子力學(xué)的二元結(jié)構(gòu)和其發(fā)展的二元狀態(tài) 上世紀(jì)二十年代創(chuàng)立的量子力學(xué)奠定了人類認(rèn)識微觀世界的科學(xué)基礎(chǔ)，成功地解釋和預(yù)言了各種相關(guān)物理效應(yīng)。然而，關(guān)于波函數(shù)的意義，自愛因斯坦和玻爾曠世之爭以來眾說紛紜，并無共識。直到今天，量子力學(xué)發(fā)展還是處在這樣一種二元狀態(tài)。對此有人以玻爾的“互補(bǔ)性”或嚴(yán)肅或詼諧地調(diào)侃之，以“shutupandcalculate”的工具主義觀點(diǎn)處之以舉重若輕。 這樣一個(gè)二元狀態(tài)主要是由于附加在玻恩幾率解釋之上的“哥本哈根詮釋”之獨(dú)有的部分:外部經(jīng)典世界存在是詮釋量子力學(xué)所必需的，是它產(chǎn)生了不服從薛定諤方程幺正演化的波包塌縮，使得量子力學(xué)二元化了。今天，雖然波包塌縮概念廣被爭議，它導(dǎo)致的后選擇“技術(shù)”卻被廣泛地應(yīng)用于量子信息技術(shù)的各個(gè)方面，如線性光學(xué)量子計(jì)算和量子離物傳態(tài)的某些實(shí)驗(yàn)演示。早年，薛定諤曾經(jīng)寫信嚴(yán)厲批評了當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們，他在給玻恩的信中寫到：“我確實(shí)需要給你徹底洗腦……你輕率地常常宣稱哥本哈根解釋實(shí)際上已經(jīng)被普遍接受，毫無保留地這樣宣稱，甚至是在一群外行人面前一一他們完全在你的掌握之中。這已經(jīng)是道德底線了……你真的如此確信人類很快就會屈從于你的愚蠢嗎？” 1979年，Weinberg在《愛因斯坦的錯(cuò)誤》一文中批評了玻爾對測量過程的不當(dāng)處理：“量子經(jīng)典詮釋的玻爾版本有很大的瑕疵，其原因并非愛因斯坦所想象的。哥本哈根詮釋試圖描述觀測（量子系統(tǒng)）所發(fā)生的狀況，卻經(jīng)典地處理觀察者與測量的過程。這種處理方法肯定不對：觀察者與他們的儀器也得遵守同樣的量子力學(xué)規(guī)則，正如宇宙的每一個(gè)量子系統(tǒng)都必須遵守量子力學(xué)規(guī)則。” “哥本哈根詮釋可以解釋量子系統(tǒng)的量子行為，但它并沒有達(dá)成解釋的任務(wù)，那就是應(yīng)用波函數(shù)演化方程于觀察者和他們的儀器?！?最近溫伯格又進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了他對“標(biāo)準(zhǔn)”量子力學(xué)的種種不滿。在量子信息領(lǐng)域，不少人不加甄別地使用哥本哈根詮釋導(dǎo)致的“后選擇”方案，其可靠性令人懷疑！ 其實(shí)，在量子力學(xué)幺正演化的框架內(nèi)，多世界詮釋不引入任何附加的假設(shè)，成功地描述了測量問題。由于隱變量理論在理論體系上超越了量子力學(xué)框架，本質(zhì)上是比量子力學(xué)更基本的理論，所以本文對Bell不等式不作系統(tǒng)討論。 自上世紀(jì)八十年代初，人們先后提出了各種形式迥異的量子力學(xué)新詮釋，如退相干、自洽歷史、粗?；讼喔蓺v史和量子達(dá)爾文主義，但實(shí)際上都是多世界詮釋的拓展和推廣。2哥本哈根詮釋及其推論 哥本哈根詮釋的核心內(nèi)容是“詮釋量子世界，外部的經(jīng)典世界必不可少”。波函數(shù)描述微觀系統(tǒng)的狀態(tài)，遵循態(tài)疊加原理，艮"如果1?1>和I?2＞滿足運(yùn)動(dòng)方程，則也是系統(tǒng)的可能狀態(tài)。當(dāng)1?1＞和I?2＞是某一個(gè)力學(xué)量的本征態(tài)(對應(yīng)本征值al和a2)，則對I?＞測量A的可能值只能隨機(jī)地得到al和a2,相應(yīng)的幾率是Ic1I2和Ic2I2。因而，A的平均值是這就是玻恩幾率解釋的全部內(nèi)容，不必附加任何假設(shè)，足以解釋所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但哥本哈根詮釋卻要通過附加的假設(shè)拓展玻恩幾率解釋。從JohnvonNeumann開始，人們追問被測量后系統(tǒng)的狀態(tài)及其波函數(shù)是什么，并且都主張緊接著的重復(fù)測量給出相同的結(jié)果。馮?諾依曼首先將測量定義為相互作用產(chǎn)生的儀器(D)和系統(tǒng)(S)的關(guān)聯(lián)(或籠統(tǒng)地叫做糾纏)。特殊相互作用導(dǎo)致的總系統(tǒng)D+S演化波函數(shù)為 根據(jù)上面的方程，一旦觀察者發(fā)現(xiàn)了儀器在具有特制經(jīng)典的態(tài)|D1＞上，則整個(gè)波函數(shù)塌縮到I?1＞?ID1＞，從而由儀器狀態(tài)D1讀出系統(tǒng)狀態(tài)I?1＞，對I?2＞亦然。自此，哥本哈根學(xué)派將這種波包塌縮現(xiàn)象簡化為一個(gè)不能由薛定諤方程描述的非幺正過程：在|?＞上測A，測量一旦得到結(jié)果a1，則測量后的波函數(shù)變?yōu)閨?＞的一個(gè)分支|?1＞。這個(gè)假設(shè)的確保證了緊接著的重復(fù)測量給出相同的結(jié)果。 然而，玻爾從來都不滿足于物理層面上的直觀描述和數(shù)學(xué)上的嚴(yán)謹(jǐn)表達(dá)，對于類似波包塌縮的神秘行為他進(jìn)行了“哲學(xué)”高度的提升：只有外部經(jīng)典世界的存在，才能引起波包塌縮這種非幺正變化，外部經(jīng)典世界是詮釋量子力學(xué)所必不可少的。 加上波包塌縮假設(shè)，人們把量子力學(xué)詮釋歸納為以下6條： （1）量子系統(tǒng)的狀態(tài)用滿足薛定諤方程的波函數(shù)來描述，它代表一個(gè)觀察者對于量子系統(tǒng)所能知道的全部知識（薛定諤）； （2）量子力學(xué)對微觀的描述本質(zhì)上是概率性的，一個(gè)事件發(fā)生的概率是其對應(yīng)的波函數(shù)分量的絕對值平方（玻恩）； （3）力學(xué)量用滿足一定對易關(guān)系的算符描述，它導(dǎo)致不確定性原理：一個(gè)量子粒子的位置和動(dòng)量無法同時(shí)被準(zhǔn)確測量（海森伯），AxApN?/2； （4）互補(bǔ)原理（Complementarityprinciple，亦譯為并協(xié)原理）：物質(zhì)具有波粒二象性，一個(gè)實(shí)驗(yàn)可以展現(xiàn)物質(zhì)的粒子行為或波動(dòng)行為，但二者不能同時(shí)出現(xiàn)（玻爾）； （5）對應(yīng)原理：大尺度宏觀體系的量子行為接近經(jīng)典行為（玻爾）； （6）外部經(jīng)典世界是詮釋量子力學(xué)所必需的，測量儀器必須是經(jīng)典的（玻爾與海森伯）。 一般說來“哥本哈根詮釋”特指上述6條量子力學(xué)基本原理中的后4條。然而，玻爾等提出的4條“軍規(guī)”，看似語出驚人，實(shí)質(zhì)卻可證明為前兩條的演繹。第3條海森伯不確定性關(guān)系并不獨(dú)立于玻恩幾率解釋。只是由于不確定關(guān)系能夠凸顯量子力學(xué)的基本特性一一不能同時(shí)用坐標(biāo)和動(dòng)量定義微觀粒子軌道，看上去立意高遠(yuǎn)！玻爾和海森伯等從哲學(xué)的高度把它提升到量子力學(xué)的核心地位。但是，今天大家意識到，只要用波函數(shù)玻恩解釋給出力學(xué)量平均值公式，就可以嚴(yán)格導(dǎo)出不確定關(guān)系。其實(shí)，在研究具體問題時(shí)，不確定性關(guān)系可以解釋一些新奇的量子效應(yīng)，但不能指望它給出所有精準(zhǔn)的定量預(yù)言。 哥本哈根“軍規(guī)”第4條一一玻爾互補(bǔ)原理后半句話“波動(dòng)性和粒子性在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，二者互相排斥、不可同時(shí)出現(xiàn)”經(jīng)常被人們忽略，但它卻是互補(bǔ)原理的精髓所在。玻爾互補(bǔ)原理在一定的意義上可以視為哲學(xué)性的描述。玻爾本人甚至認(rèn)為可以推廣到心理學(xué)乃至社會學(xué)，以彰顯其普遍性！然而，雖然它看似寓意深?yuàn)W，在操作層面上卻不完全獨(dú)立于不確定性關(guān)系。然而，對于玻爾這種主要表現(xiàn)在互補(bǔ)原理之中的“啰嗦的、朦朧的”哲學(xué)，狄拉克無法接受。1963年，狄拉克談到互補(bǔ)原理時(shí)說，“我一點(diǎn)也不喜歡它”，“它沒有給你提供任何以前沒有的公式”。狄拉克不喜歡這個(gè)原理的充分理由，從側(cè)面反映了互補(bǔ)原理不是一般的可以用數(shù)學(xué)準(zhǔn)確表達(dá)的物理學(xué)結(jié)論。其實(shí)，盡管互補(bǔ)原理不能吸引狄拉克，但也許還是潛移默化地影響了他的思維，在狄拉克《量子力學(xué)原理》前言當(dāng)中及其他地方，他強(qiáng)調(diào)的不變變換可以看做是玻爾互補(bǔ)觀念的一種表現(xiàn)。其實(shí)，我們能夠清晰地展示互補(bǔ)原理的不獨(dú)立性。在粒子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，要探知粒子路徑意味著實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)粒子性，波動(dòng)性自然消失，干涉條紋也隨之消失，發(fā)生了退相干。玻爾互補(bǔ)原理對此進(jìn)行了哲學(xué)高度的詮釋：談?wù)摿Ｗ幼吣囊粭l縫，是在強(qiáng)調(diào)粒子性，因?yàn)橹挥辛Ｗ硬庞形恢妹枋?；?qiáng)調(diào)粒子性，波動(dòng)性消失了，隨即也就退相干了。海森伯用自己的不確定性關(guān)系對這種退相干現(xiàn)象給出了比較物理的解釋：探測粒子經(jīng)過哪一條縫，相當(dāng)于對粒子的位置進(jìn)行精確測量，從而對粒子的動(dòng)量產(chǎn)生很大的擾動(dòng)，而動(dòng)量聯(lián)系于粒子物質(zhì)波的波矢或波長，從而導(dǎo)致干涉條紋消失。海森伯本人認(rèn)為，通過不確定性關(guān)系很好地印證了互補(bǔ)性原理。然而，玻爾并不買海森伯的帳，認(rèn)為只有互補(bǔ)原理才是觀察引起退相干問題的核心，測量裝置的預(yù)先設(shè)置決定了“看到”的結(jié)果。強(qiáng)調(diào)不確定性關(guān)系推導(dǎo)出互補(bǔ)性，本質(zhì)上降低了理論的高度和深度。當(dāng)然，玻爾本人也認(rèn)為不確定性關(guān)系是波粒二象性的很好展現(xiàn)：Ax很小，意味著位置確定，這對應(yīng)著粒子性，這時(shí)Ap很大，波矢不確定所以波動(dòng)性消失了。哥本哈根“軍規(guī)”第5條是對應(yīng)原理，它可以視為薛定諤方程半經(jīng)典近似的結(jié)果。 經(jīng)過這樣的分析甄別，可以斷定只有第6條才是“哥本哈根詮釋”獨(dú)特且獨(dú)立的部分，也正是它導(dǎo)致了量子力學(xué)詮釋的二元論結(jié)構(gòu)：微觀系統(tǒng)服從導(dǎo)致幺正演化的薛定諤方程（U過程），但對微觀系統(tǒng)測量過程的描述則必須借助于經(jīng)典世界，它導(dǎo)致非幺正的突變（R過程）。羅杰?彭羅斯（RogerPenrose）多次強(qiáng)調(diào)，量子力學(xué)哥本哈根詮釋的全部奧秘在于量子力學(xué)是否存在薛定諤方程U過程以外的R過程。當(dāng)年，玻爾認(rèn)為這種描述是十分自然的：為了獲取原子微觀世界的知識，對于生活在經(jīng)典世界的人類而言，所用的儀器必須是經(jīng)典的。然而，儀器本身是由微觀系統(tǒng)組成，每一個(gè)粒子服從量子力學(xué)，經(jīng)典與量子之間必存在邊界，但邊界卻是模糊的。哥本哈根詮釋要想自洽，就要根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整邊界的位置，可以在儀器一系統(tǒng)之間，可以在儀器一人類觀察者之間，甚至可以是視覺神經(jīng)和人腦之間。如果說“邊界可變”的哥本哈根詮釋是一條靈動(dòng)而有毒的“蛇”，哥本哈根“軍規(guī)”第6條是其最核心、最致命的地方。溫伯格先生對此的嚴(yán)厲批評和質(zhì)疑，正好打了“蛇”的七寸。七寸處之“毒”在意識論上會導(dǎo)致馮?諾依曼鏈佯謬：人的意識導(dǎo)致最終波包塌縮。讓我們考察馮?諾依曼量子測量的引申。我們不妨先承認(rèn)玻爾的“經(jīng)典必要性”。如果第一個(gè)儀器用量子態(tài)描述，為什么系統(tǒng)+儀器的復(fù)合態(tài)會塌縮到l?1>?ID1>，答案自然是有第二個(gè)經(jīng)典儀器D2存在，使得更大的總系統(tǒng)塌縮到I?1>?ID1>?ID2>?。以此類推要塌縮到以下鏈?zhǔn)椒种希?據(jù)此類推，最末端的儀器在哪里呢？那么，要想有終極的塌縮，末端必須是非物質(zhì)“神”或“人”的意識。馮?諾依曼的好友維格納(EugeneWigner)就是這樣推斷意識會進(jìn)入物質(zhì)世界。 我個(gè)人猜想，目前國內(nèi)有人由量子力學(xué)論及“意識可獨(dú)立于物質(zhì)而存在”，正是拾維格納的牙慧，把哥本哈根詮釋進(jìn)行這種不合理的邏輯外推。然而，這個(gè)結(jié)論邏輯上是有問題的，如果我們研究的系統(tǒng)是整個(gè)宇宙，難道有宇宙之外的上帝？對此的正確分析可能要涉及一個(gè)深刻的數(shù)學(xué)理論：隨著儀器不斷增加到無窮，我們就涉及了無窮重的希爾伯特空間的直積。無窮重和有限重直積空間有本質(zhì)差別，序參量出現(xiàn)就源于此。哥本哈根詮釋還有一個(gè)引起歧義的推論：波包塌縮與狹義相對論的沖突。例如，如圖1，一個(gè)粒子在t=0時(shí)刻局域在一個(gè)空間點(diǎn)A上，t=T時(shí)測量其動(dòng)量得到確定的動(dòng)量p，則波包塌縮為動(dòng)量本征態(tài)6(x)?exp(ipx)，其空間分布在T時(shí)刻后不再定域，整個(gè)空間均勻分布。因此，測量引起的波包塌縮導(dǎo)致了定域性的整體破壞：雖然B點(diǎn)在過A點(diǎn)的光錐之外(即A和B兩點(diǎn)是類空的，不存在因果聯(lián)系)，但在t>T的時(shí)刻，我們?nèi)杂锌赡茉贐點(diǎn)發(fā)現(xiàn)粒子。按照狹義相對論，信號最多是以光的速度傳播，而在瞬時(shí)的間隔發(fā)生的波包塌縮現(xiàn)象，意味著存在“概率意義”的超光速一一T時(shí)刻測量粒子動(dòng)量會導(dǎo)致體系以一定幾率(通常很小很小)“超光速”地塌縮到不同的動(dòng)量本征態(tài)上。這個(gè)例子表明，如果簡單地相信波包塌縮是一個(gè)基本原理，會出現(xiàn)與狹義相對論矛盾的悖論。事實(shí)上，對于單一的測量，我們并不能確定地在B點(diǎn)發(fā)現(xiàn)粒子。因此，“事件”A和B的聯(lián)系只是概率性的。而對于微觀粒子而言，討論經(jīng)典意義下的因果關(guān)系和相關(guān)的非定域性問題，不是一個(gè)恰當(dāng)?shù)恼擃}。概率性的“超光速”現(xiàn)象意味著，在概率中因果關(guān)系必須要重新考量。 圖1四維時(shí)空中的整體波包塌縮：對定域態(tài)的動(dòng)量測量，接受哥本哈根的觀點(diǎn)，則會認(rèn)為系統(tǒng)塌縮到動(dòng)量本征態(tài)，從而可以出現(xiàn)在類空點(diǎn)上 綜上所述，哥本哈根詮釋帶來概念困難的關(guān)鍵之處是廣為大家質(zhì)疑的第6條“軍規(guī)”一一經(jīng)典必要性或波包塌縮。量子力學(xué)的其他詮釋，如多世界詮釋、退相干詮釋乃至隱變量理論，均是針對這一點(diǎn)，提出了或是在量子力學(xué)框架之內(nèi)、或是超越之外的解決方案。 3多世界詮釋 對量子力學(xué)詮釋采取"工具論(instrumentalism)”的態(tài)度，可以認(rèn)為波函數(shù)不代表任何物理世界中的實(shí)體，也不描寫實(shí)際的測量過程，而只是推斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)學(xué)工具。因此，在哥本哈根詮釋中，波包塌縮與否，都不意味著實(shí)體塌縮，只是塌縮后可以據(jù)此推斷重復(fù)測量的結(jié)果。雖然玻爾自己晚期也多次談到這一點(diǎn)，但哥本哈根學(xué)派的思想并沒有邏輯上的一致性。他們由此推及詮釋量子力學(xué)必須借助經(jīng)典世界，明顯走向了本體論(ontology)的一面，經(jīng)典世界是客觀存在的本體。因此，從哲學(xué)意義上講，哥本哈根詮釋是一種二元論的混合體：微觀世界由觀察或意識決定，但實(shí)施觀察的經(jīng)典世界是客觀存在的。 溫伯格和蓋爾曼(MurrayGell-Mann)等著名的物理學(xué)家并不滿足于哥本哈根詮釋的綏靖主義和哲學(xué)上二元論的理解，他們從實(shí)在論(realism)立場出發(fā)，直到今天還在鍥而不舍地追問波函數(shù)到底是什么、測量后變?yōu)槭裁?。非常幸運(yùn)，早在上一個(gè)世紀(jì)五十年代初，埃弗里特對這些基本問題給出了“實(shí)在論”或“本體論”式的回答——這就是相對態(tài)理論或后稱多世界詮釋。 量子力學(xué)的多世界詮釋起源于休?埃弗里特(HughEverett)(圖2)的博士論文。1957年在《現(xiàn)代物理評論》發(fā)表了這個(gè)博士論文的簡化版。發(fā)表文章的題目《量子力學(xué)的相對態(tài)表述》有些專業(yè)化，但科學(xué)上很準(zhǔn)確。文章發(fā)表后被學(xué)界冷落多年，1960年代末德維特(BryceSeligmanDeWitt)在研究量子宇宙學(xué)問題時(shí)，重新發(fā)現(xiàn)了這個(gè)“世界上保守好的秘密”，并把它重新命名為“多世界理論”。這個(gè)引人注目的名稱復(fù)活了埃弗里特沉寂多年的觀念，也引起了諸多新的誤解和爭論。 圖2休?埃弗里特(1930—1982)：多世界詮釋的創(chuàng)立者 埃弗里特提出多世界詮釋之后，面對玻爾的冷落，不管他的老師JohnWheeler如何溝通“多世界理論”和“標(biāo)準(zhǔn)”哥本哈根詮釋、平滑它們的沖突，在答復(fù)《現(xiàn)代物理評論》編輯部的批評意見時(shí)，他還是挑明了與哥本哈根詮釋的根本分歧：“哥本哈根詮釋的不完整性是無可救藥的，因?yàn)樗闰?yàn)地依賴于經(jīng)典物理……這是一個(gè)將'真實(shí)'概念建立在宏觀世界、否認(rèn)微觀世界真實(shí)性的哲學(xué)怪態(tài)?！边@一點(diǎn)也是溫伯格在尖銳批評哥本哈根詮釋時(shí)所不斷重復(fù)的要點(diǎn)、靈動(dòng)之“蛇”的七寸。今天，不少人認(rèn)為，多世界詮釋是使量子力學(xué)擺脫“怪態(tài)”走向正常態(tài)的基本理論。 多世界詮釋認(rèn)為，微觀世界中的量子態(tài)是不能孤立存在的，它必須相對于它外部一切，包括儀器、觀察者乃至環(huán)境中各種要素。因此，微觀系統(tǒng)不同分支量子態(tài)|n＞也必須相對于儀器狀態(tài)|Dn＞，觀察者的狀態(tài)|On＞……環(huán)境的狀態(tài)|En＞來定義，從而，微觀系統(tǒng)狀態(tài)嵌入到一個(gè)所謂的世界波函數(shù)或稱宇宙波函數(shù)（universalwavefunction）: 它是所有分支波函數(shù)的疊加。埃弗里特等人認(rèn)為，如果考慮全了整個(gè)世界的各個(gè)部分細(xì)節(jié)，Cn可以對應(yīng)于微正則系綜Cn=1/"N,N是宇宙所有微觀狀態(tài)數(shù)。不必預(yù)先假設(shè)玻恩規(guī)則，通過粗粒化，可以證明ICnl2代表事件n發(fā)生的概率。當(dāng)然，這種處理取決于人們對概率起因的理解。圖3薛定諤貓“佯謬”多世界圖像：處在基態(tài)|0>和激發(fā)態(tài)|1>疊加態(tài)上的放射性核，通過某種裝置與貓發(fā)生相互作用。處在|1>態(tài)的核會輻射，觸動(dòng)某種裝置殺死貓，而處在|0>態(tài)的核不輻射，貓活著。這個(gè)相互作用結(jié)果使得世界處在兩個(gè)分支上：在“死貓”的分支上，核輻射了，殺死了貓，觀察者也看到了這個(gè)結(jié)果；在“活貓”分支上，沒有輻射，貓還活著。兩個(gè)分支都存在，但觀察者們不會互知彼此的觀察結(jié)果。 多世界詮釋認(rèn)為，量子測量過程是相互作用導(dǎo)致了世界波函數(shù)的幺正演化過程，測量結(jié)果就存在于它的某一個(gè)分支之中。每一個(gè)分支都是“真實(shí)”存在，只是作為觀察者“你”、“我”恰好處在那個(gè)分支中。薛定諤貓?jiān)谒溃ɑ睿B(tài)上，對應(yīng)著放射性的核處在激發(fā)態(tài)|1>（基態(tài)|0>）上，這時(shí)觀察者觀測到了貓是死（活）的。我們寫下貓態(tài)：多世界詮釋是說，兩個(gè)分支|->=|死，1，O1>三|死>?|1>?|O1>和|+>=|活，0，。0>三|活>?|0>?|O0>都是真實(shí)存在的。測量得到某種結(jié)果，如貓還活著，只是因?yàn)橛^察者恰好處在|+＞這個(gè)分支中。 如果僅僅到此為止，人們會馬上質(zhì)疑多世界理論，并視之為形而上學(xué)：僅說碰巧觀察者待在一個(gè)分支內(nèi)，作為觀察者的“你”、“我”在另一個(gè)分支里看到了不同的結(jié)果，觀察者的“你”、“我”便“一分為二”了。人們顯然不會接受這種荒誕的世界觀。然而，埃弗里特、德維特利用不附加任何假設(shè)的量子力學(xué)理論，自洽地說明不同分支之間，不能交流任何信息。因此，在不同分支內(nèi)，觀察者“看到”的結(jié)果是唯一的。最近，本文作者及合作者通過明確定義什么是客觀的量子測量，嚴(yán)格地證明了這個(gè)結(jié)論。我們的研究進(jìn)一步表明，埃弗里特的多世界詮釋變成了一個(gè)猶如量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）一樣正確的物理理論。QCD假設(shè)了夸克，但“實(shí)驗(yàn)觀察”并沒有直接看到夸克的存在。所幸QCD本身預(yù)言了漸進(jìn)自由，它意味著夸克可能發(fā)生禁閉：兩個(gè)夸克離得越近，它們相互作用越弱，反之在一定程度上，距離越遠(yuǎn)，相互作用越強(qiáng)，因而不存在自由夸克（當(dāng)然，嚴(yán)格地講，漸進(jìn)自由是依據(jù)微擾QED證明的，而QCD研究禁閉問題的本質(zhì)可能是非微擾）。多世界理論常常被誤解為假設(shè)了世界的“分裂”、替代波包塌縮。事實(shí)上，埃弗里特從來沒有做過這樣的假設(shè)。多世界理論是在量子力學(xué)的基本框架（薛定諤方程或海森伯方程加上玻恩幾率詮釋）描述測量或觀察，不附加任何假設(shè)。“分裂”只是理論中間產(chǎn)物的形象比喻。當(dāng)初，埃弗里特投稿《現(xiàn)代物理評論》遭到了審稿人的嚴(yán)厲批評：測量導(dǎo)致的分支狀態(tài)共存，意味著世界在多次“觀測”中不斷地分裂，但沒有任何觀察者在實(shí)際中感受到各個(gè)分支的共存。埃弗里特對這個(gè)問題的答辯也是思辨式的，但邏輯上很有說服力。他說，哥白尼的日心說預(yù)言了地球是運(yùn)動(dòng)的，但地球上的人的經(jīng)驗(yàn)從來沒有直接感覺到地球是運(yùn)動(dòng)的。不過，從日心說發(fā)展出來的完整理論一一牛頓力學(xué)從相對運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)解釋了地球上的人為什么會感覺到地球不動(dòng)。理論本身可以解釋理論預(yù)言與經(jīng)驗(yàn)的表觀矛盾，這一點(diǎn)正是成功理論的深邃和精妙所在。 今天看來，作為理論中間的要素，不自由的夸克和不可觀測的世界分裂都是一樣的“真實(shí)”，其關(guān)鍵是量子力學(xué)的多世界詮釋能否自證“世界分裂”的不可觀測性。由于世界波函數(shù)的描述原則上包含了所有的觀察者，上帝也不可置身此外。因此，我們不再區(qū)分儀器、觀察者或上帝，世界是否“分裂”問題于是就轉(zhuǎn)化為觀察或測量的客觀性問題(Box1)：兩個(gè)不同觀察者觀察的結(jié)果是否一致，觀測結(jié)果之間是否互相驗(yàn)證一致。事實(shí)上，為了證明多世界詮釋中世界的分裂是不可觀測的，埃弗里特首先明確什么是“觀察”或“測量氣今天大家已經(jīng)公認(rèn)，測量是系統(tǒng)和儀器之間的經(jīng)典關(guān)聯(lián)，如果要求這種關(guān)聯(lián)是理想的，對應(yīng)于不同系統(tǒng)分支態(tài)的儀器態(tài)是正交的(完全可以區(qū)分)。如果觀察者可以用另外的儀器去測量原來的儀器狀態(tài)，得到相同的對應(yīng)讀數(shù)，則兩個(gè)儀器間形成理想的經(jīng)典關(guān)聯(lián)(Box1)。 多世界詮釋似乎完美地解決了哥本哈根詮釋中面臨的關(guān)鍵問題，但其自身仍然在邏輯上存在漏洞，這就是偏好基矢(preferredbasis)問題。我們以自旋測量為例說明這個(gè)問題，設(shè)自旋1/2體系世界波函數(shù)為其中IUf>(iuJ>)代表相對于自旋態(tài)M>(IJ>)的宇宙其他所有部分的態(tài)。按多世界論的觀點(diǎn)，測得了自旋向上態(tài)|f>，是因?yàn)樗南鄬B(tài)IUf>=IDf，Of，?>包含了指針向上的儀器Df，看到這個(gè)現(xiàn)象觀察者Of以及相應(yīng)的環(huán)境等。多世界詮釋的要點(diǎn)是認(rèn)為另外一個(gè)分支IUJ>=IDJ，OJ，?>仍然是“真實(shí)”存在，但外在另一個(gè)(向上)分支中的觀察者無法與這個(gè)分支進(jìn)行通信，不能感受到向下分支的存在。然而，量子態(tài)1?>的表達(dá)式不唯一，即原來的世界波函數(shù)也可以表達(dá)為 其中新的基矢I±>=(If>土IJ>)/"2代表自旋向左或向右的態(tài)，而IU±>=(IUf>±IUJ>)/"2代表系統(tǒng)與世界相對應(yīng)的部分。很顯然，IU±>不會簡單地寫成儀器和觀察者因子化形式，它不再是儀器、觀察者和環(huán)境其他部分的簡單乘積，測量的客觀性不能得以保證。 上述考慮帶來了所謂的偏好基矢問題：為什么對于同一個(gè)態(tài)，在談?wù)撟孕∠驕y量時(shí)，我們采用了自旋向上和向下(If>和IJ>)這種偏好，而非自旋左右。埃弗里特知道這個(gè)問題的存在，但他并不在意，他覺得任何測量都要有體現(xiàn)功能的儀器的特定設(shè)置，這種功能選擇設(shè)置儀確定了偏好基矢。例如，在測量自旋的施特恩一蓋拉赫實(shí)驗(yàn)中，我們通過選擇非均勻外磁場的指向，來確定是測上下還是左右的自旋。然而，很多理論物理學(xué)家還是覺得多世界理論的確存在這樣的不足。1981年祖萊克(WojciechZurek)把迪特爾?澤(Di