你还记得那个机器人在带有金属柱子的白色房间里把玩的量子粒子吗？在那个非常微小的世界里，粒子们真的走过各种可能和不可能的路径从一个地方跑到另一个地方，从一个时间到另一个时间，只要没有人看着。

那么为什么那些构成你身体的所有粒子的所有量子性质没有让你也变成量子化的你？

那不是很有趣吗？

所有你能想象的不同生命轨迹将同时发生。你会很富有又很贫穷，结了婚又保持单身，快乐又悲伤，获得诺贝尔奖而又完全是个笨蛋，在这里又在那里，活在现在和其他时间……你能活过所有你梦想的人生，真的，还有所有那些你不想要的生活。

但看上去这并没有发生。

你是由量子物质构成的，不是吗？那就应该是那样啊。

但事实并非如此。

为什么？

好吧，听起来或许难以相信，没有人知道答案。事实上，这与量子世界最大的神秘事件之一有联系：为什么我们在自己周围哪儿都见不到量子效应？

世界上所有物质都由量子粒子以及量子场的表现所构成，为什么我们以我们现实中所经历的方式经历这个世界，而不是以那些粒子在微小的亚原子水平所经历的方式？

你可以反驳说世界就是这么存在的，物理学的职责并不是为了对规则提出问题，而是揭秘规则。

然而，这种谦逊的表述依然有一个小问题：量子世界的规则与我们每天生活中感受到的现实世界如此不同，应该存在一个某种类似转折点的地方隔开了量子世界与我们日常体验到的、习以为常的所谓“经典”世界。如果那些构成我们身体、存在于空气之中和外太空里的粒子们就像老老实实的网球或棒球般运动，天下就一切太平，那么我们就会了解一切东西——从最微小的到最巨大的。

但它们并不如此行事。

你在通往微小世界的旅程中不止一次地看到它们并不如此行事。例如，在你试图抓住绕着氢原子核旋转的电子时，还记得想要同时了解它所在的位置和运动的速度是多么困难的事吗？好吧，让我们现在再仔细看看这个事实。

再次把你自己想象成缩微版状态。你比原子还小。一颗粒子正朝你飞来。你对它一无所知，不知道它的大小、所在的位置和接近你的速度。你只知道它遵循这量子世界的规则。

你从随身带着的缩微包里拿出一个缩微手电筒，准备打开它，期待着它发出的光能从粒子身上反射回来，不管那个时候粒子位于何处，反射回来的光将飞回你眼中，告诉你那颗粒子的位置。

但并不是任何光都能完成你的任务。

你需要使用“正确”的光。

记得光能被看成波吗？那么，“正确”的光意味着这个光波的两个波峰之间的距离（光的波长）需要大致与你的目标大小相似或更小。如果你用的光波波长太长，它将无法注意到那颗粒子，直接穿过去，就像无线电波能够穿透你房间的墙壁，似乎没注意到这些障碍的存在一样。然而，当波长“正确”时，你就能看到反射回来的光，并且得到你的粒子所在位置，其精确程度就是你使用的光波波长。同时，你还能测量粒子的速度，这样，你就得到了你想知道的所有信息。

简单。

你调节着你最先进的手电筒，获得了一个强有力的光脉冲。瞄准，发射……砰！你击中了某个东西。一个粒子。就在那里。就在你前面。光被反射回来，向你的方向飞来。它从发射飞往粒子并回到你这里所用的时间精确地告诉了你撞击时粒子所在的位置，因此该粒子不可能位于所有地方了。一旦被探测到，粒子就失去了它的量子波动性。从一秒钟的许多分之一之前的所有可能同时位于的位置之中选出了唯一一个，仅仅借助于你的手电筒探针的这个行动。就像那个机器人在白色房间里抛出粒子，这颗粒子无处不在，直到它被某个探测器检测到。这个不可逆的过程被称为“量子波塌缩”。

在塌缩发生之后，你知道了粒子所在的精确位置，精确度是你使用光波的一个波长。现在你想知道它在与光相遇时速度有多快。

但这并不容易。

事实上，你无法精确地回答这个问题。

永远不能。

记住：波长越短，所对应光的能量越高。

所以，对粒子所在位置要求的精度越高，你的手电筒所使用的光波能量就会越高，也就是你对粒子撞击得越厉害——因此你对它接下来的速度知道得越粗略。

对于一个我们所熟悉的世界，这句话的意义很简单。

试试看，在黑暗中，通过射击的方式试图发现某个运动着的物体的位置。撞击会影响你所要探测的东西。如果你发射的东西弹回你处，你就能知道当撞击发生时，你想要探测的东西在哪里。如果你接着射击想知道它去了哪里，你就会发现你的第一次射击已经改变了它的速度。

真的很简单。

然而，在量子世界里，这不仅仅是一个简单的不确定性，而是一个大自然深刻的性质。它表明在本质上你不能同时知道一个粒子所在的位置和它运动得多快。这条规则被称为“海森堡测不准原理”，以发现此原则的德国理论物理学家维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)命名。海森堡是原子世界的量子理论的奠基人之一。他在一九三二年因此工作获得了诺贝尔物理学奖。他知道自己在说些什么。但与后来其他许多人一样，他并不理解这一点。因为它超越了我们的直觉，违背了我们的常识。

这个测不准原理立刻就令量子世界与我们日常经典世界比起来完全不同。

就在现在，从你的身体来说，你知道你所阅读的这本书的位置以及它正以多快的速度运动。因此你了解它的位置和速度，而且还算是精确。依然，关于它的位置与速度的不确定性还是存在——但这个不确定性实在太小，你无法注意到，因此这种不确定性对实际生活不会产生什么影响。

然而，在微小的世界，处于缩微版状态的你，将无法把书拿在手上，甚至那个手电筒也一样。一旦你精确地知道了这本缩微版的书的位置，关于它速度的不确定性将变成巨大，因为你得发射许多粒子来确定它的位置，你将永远无法盯着它看。或者，如果你精确地知道它移动得多快，那么无论你用什么方法，都无法知道它所处的位置，在那里，阅读变成了一件困难的事。在非常小的世界里，位置和速度合并成一个模糊的概念。随着技术应用变得越来越小，这是一个工程师们越来越需要面对的挑战。

说了这么多，海森堡测不准原理并不神秘。

它是个事实。

严格说来，它甚至不是测不准。它只是显示出我们在日常经典世界中对于位置与速度的理解不适用于微小的世界。在这里，大自然以一种非常不同的规则运行，我们也有理论解释它，理论学家们用它来预言：量子物理学。而且这个测不准原理也的确延伸到我们生活的尺度，只是我们不能感觉到而已。当涉及太多粒子时，其效应变得不那么显著。这也是一个被彻底研究过的事实。

那么我们所要寻找的谜团在哪里？到底存不存在？

存在的。

在你的测量过程中我们忽略了一些东西：量子波的自我塌缩。

那就是谜团。

真正让人无法理解的谜团。

如果不去管它，量子粒子表现出它自身的多重影像（确切地说，像波），在时空中同时沿着所有可能的路径移动。

现在，再问一遍，为什么我们从来没有在自己身上体验过这种多重性？

这是因为我们一直不停地观察我们身边的一切吗？为什么所有牵涉到确定某个粒子位置的实验可以让此粒子突然从无处不在的状态变到只存在于此处的状态？

没有人知道。

在你观察它之前，一个粒子呈现出波动状的可能性。在你观察它之后，它就位于某处，而且永远位于该处，而不是接着再回到无处不在的状态。

很奇怪，那种行为。

量子物理学中的所有规则中，没有一条允许这样的塌缩发生。这既是一个理论上的谜团，又是一个实验上的谜团。

量子物理学规定，只要那里存在某些东西，它就能转化成一些别的什么——当然如此，但它不能凭空消失。因为量子物理学允许多种可能性同时发生，这些可能性就应该保持存在，即便你对它进行了观测之后。但事实并非如此。除了一个现实，其他所有的可能性都消失了。我们在自己周围再也见不到那些其他可能性。我们生活在一个日常经典世界，所有一切都基于量子规则，但这个世界却又与量子世界完全不同。

所以问题就是：我们如何才能让量子效应出现在我们人类生活的尺度上，这样我们就能在对它们进行观测时亲眼看到塌缩——如果这种塌缩真的存在的话。这可能吗？如果我们能够看到这样的量子效应，我们预期将看到什么？

一九三五年，在因量子物理学方面的研究获得诺贝尔奖的两年之后，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)设计了一个将量子效应带入我们生活尺度的实验。实验里有一只猫和一只盒子。虽然这只是一个思想实验，但所有的科学家们自此之后都没有停止思考“那只猫到底是死的还是活的”这一问题。

你再次重复他的实验。我希望你不要对可爱无辜喵喵叫的小猫有太深的感情：很有可能这只小猫会在这个实验中受到伤害。不管怎样，请记得我们在这里只是要让量子效应出现在宏观世界中。一些牺牲是不可避免的。

说了这些声明之后，让我们开始吧。

对于那些不知道猫是什么的人，一只猫就是一个有着四条腿，通常毛茸茸并长着一条尾巴的哺乳动物，生活在同我们一样尺度的现实之中。大多数人都喜欢爱抚它，但并不是所有人都如此。它们几乎什么颜色都有，不过据我所知，好像还没有绿色的。

要做薛定谔的思想实验，你需要选定一只可爱的小猫，黑白色的，再找一只能够完美封闭的盒子，一旦关上，没有人能够从外面知道里面的情况。

除了猫和盒子，你还需要找一种放射性材料，这种特殊材料，在你的实验过程中会有50%的机会产生射线。放射性材料很难被预测。根据量子规则，没有任何方式可以事先预测它会不会衰变并发出射线。只有概率。二分之一的可能性——对于你发现的材料来说。

现在，你还需要再找到三个其他物体：一瓶装着致命毒药的管子，一把锤子和一个放射性探测器。

接下来，你把所有东西联接在一起，一旦放射性探测器探测到放射性物质放出射线，锤子就会打破管子释放出毒药。如果你不真的把这些东西——锤子、放射性物质、毒药——和猫放进盒子并且封上盖子的话，就不会造成伤害。

然后你就等着。

然后呢？

有50%的机会小猫被毒死了。一切都取决于放射性衰变。

这是一个变态的实验，我同意。

你绝对不要在家里重复它。

现在，问题来了：那只猫死了吗？

量子效应正在出现，如我们所期待的。后果是宏观的——大到足够让我们看见。

但除非打开盒子，你无法知道放射性衰变发生了没有，因此你也没有办法知道管子有没有被打破，以及那只猫是死了还是活着。

阳光之下并无新鲜事，你这样觉得？好吧，在一个量子世界，你应该时刻警惕，尽量不要依赖常识。或者绝对不要。在这里做任何推断，都需要按照量子世界的规矩。在真实生活中，你可以预料盒子中的猫死了或活着。

但两种回答都可能出错。

在量子世界，只要可能，就必然发生。你现在应该已经熟悉这个规则了。

这里，放射性物质发生衰变和不发生衰变有着同样的概率，因此两者都发生了。就像一个粒子能够同时从金属柱子的左边和右边穿过一样，放射性衰变也同时发生了和没发生，只要没有人在看。我们前面已经说过，大多数时间，缘于各种不明确的原因，这种可能性的叠加不被我们注意到。它们从来没有发生在——或者到达——我们的尺度。然而，在我们这个特别的实验里，我们却通过设计让我们的眼睛能够看到：两种量子可能性（衰变发生或未发生）同时存在并且直接联系到一只猫戏剧性的死亡或存活之上。

那么量子世界的规则怎么说？

它们的说法是：衰变还是未衰变这一事件被直接联系到毒药和猫，只要盒子未被打开，这只猫既没有死去，也没有活着，而是同时存在。

在你打开盒子之前，衰变同时处于发生了和未发生状态，因此毒药已经被释放，也尚未被释放。

所以猫咪死了，却又活着。

死了并且活着。

听到这些，你立刻打开盒子去确认。

猫跳了出来，毫发未伤，依然非常可爱。

盒子底下也没有躺着尸体。

你挠了挠自己的脑袋。

这整个所谓“状态叠加”和“随后量子可能性塌缩”立刻听起来就像一个设计精巧的恶作剧，而不是真实现象。

我们搞错了吗？猫真的曾经有一段时间处于既生又死的状态，还是整个实验就是一个骗局？

让我们看看。

打开盒子意味着你与实验发生了作用，对不对？

啊哈。

所以你的确进行了干扰。你的确观察了。当有人进行了观察，大自然就必须作出选择。

因此，这个选择——也就是塌缩——如果是真实的话，显然已经发生：让猫活了下来。

但你在打开盒子之前，猫的命运已经决定了吗？还是在你打开盒子之后，极快的瞬间里被决定？

你又回到了最初的问题：塌缩真的发生了吗？

薛定谔在一九三五年设计了这个实验，许多年过去了，没有人能回答这个问题，直到法国物理学家塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)和美国物理学家大卫·维因兰德(David J．Wineland)成功地设计了一个真正的实验，并且能够在预期发生塌缩的瞬间探测到状态的叠加。

不过，这次他们没有用猫。

他们用的是原子和光。

他们看见量子叠加非常真实；几乎所有量子粒子都能够，也确实同时以不同且互斥的状态存在。今天，这也是工程师们试图建造量子计算机的基本原理。利用量子粒子能够同时以不同状态存在这一能力，能够实现同时“平行”计算的量子计算机的计算能力在原则上能指数级地强大于我们现在所用的经典计算机。阿罗什和维因兰德因此分享了二〇一二年的诺贝尔物理学奖。他们证实了薛定谔的猫真的处于既生又死的状态，在某个时间，两种状态同时存在。

那么这儿的谜团在哪里？

在于是什么东西消失了。

叠加是真实的，好吧。阿罗什和维因兰德证实了这个。我们只能接受。

但是当你打开盒子，当活着的小猫跳出来以及塌缩发生的时候，你没见到的那个可能性去了哪里？既然它在某个阶段显然是真实的，那么那只死猫哪儿去了？

那才是谜团。

许多科学家冥思苦想于这个问题，一些潜在的答案近来开始流行。一些人猜想那些没被观察到的可能性褪色了，就像滴入湖里的一滴墨水，湖就是我们生活其中的世界，就像未被实现的一串可能性在湖中扩散消失，只剩下实现了的那种——包括我们自身也是其中的一部分——被留下。另一些人认为这与我们的意识有关，我们进行实验这一动作本身或者甚至思想本身能够把现实冻结在某一个状态中，因此创造了现实。

然后出现了美国理论物理学家休·艾弗雷特三世（Hugh Everett Ⅲ）。

出生于一九三〇年的艾弗雷特是个非常古怪的人。他极端聪明，同时研究数学、化学和物理学，最后在最有影响力的物理学家之一、美国普林斯顿大学的约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler)教授的指导下完成了博士论文。得到博士学位后艾弗雷特立刻就放弃了物理学，主要原因是他显然觉得物理学太过诡异。虽然惠勒教授尽了努力，科学界还是未能认真考虑他学生所提出的想法，这显然也是艾弗雷特放弃的原因之一。在二十一岁时，艾弗雷特离开理论研究，开始为美国军方进行绝密武器研究，最后死于过量的酒精和香烟。他的一生就像一些著名的诗人或画家在早年因其天才而散发光芒，可惜却不为当时的同行尊重一样。艾弗雷特一九五六年发表的博士论文后来成了经典。在他的论文里，他大胆而出色地声称，既然量子理论在非常小的尺度上如此完美，那么到我们日常生活的尺度上，它也应该一路被重视。我们宇宙中的一切都由量子物质构成，因此所有一切都应被看作是一个各种可能性同时存在的巨大量子波。

如果从这个视角看，那么没有什么塌缩发生。所有的可能性都依然存在。

从这个视角看，整个宇宙在每次作出选择时产生了分支，缘于实验或是其他观察。因此应该存在着无法想象之多的许多平行宇宙，其中每一种可能性，每一种可能的后果都以事实存在。

按照艾弗雷特的看法，我们的周围到处都是平行历史。

你站在两部电梯前犹豫要上哪一台，另一个你，在分叉出去的另一个平行宇宙，选了另一台。在又一个平行宇宙中，你撞在了两台电梯中间的墙上。还有一个宇宙中，你走楼梯。因此，所有的可能都被实现了。

在某种意义上，艾弗雷特对于量子物理学的理解在字面上的解释是，如果你能克服自私的障碍，你就永远不需要悲伤。任何时候，位于这里的你遭受什么不快，在无穷多的平行宇宙中无穷多的其他平行的你正因躲开了这个坏消息而满心快活。

艾弗雷特也还依然活在无数个这样的平行宇宙中，甚至还在阅读这本书呢。在某些宇宙中，他会喜欢我对他的描述；在另一些宇宙中，他不会喜欢；在还有一些宇宙中，他自己写了这本书，而且书里薛定谔的猫变成了一只绿色的狗。

按照艾弗雷特的解读，宇宙根本就没有作出任何真正的选择。所有可能的都实现了。

只是你不知道而已。

怪不得他放弃了物理学。

艾弗雷特的理论的确奇怪，但现在却有一些我们当代最伟大的物理学家认真思考他的学说，许多与我们时空起源有关的数学模型使用了他的想法。当然关于艾弗雷特的断言我们没有实验上的证据支持（或反驳），但它的确为为什么我们所生活其中的现实不是量子可能性的叠加提供了颇具吸引力的解释：那些我们没有体验到的可能性都很真实，只是存在于别处。

现在，在你试图习惯这种想法的时候，让我们很快地总结下迄今为止你经历了些什么。

自从你开始自己的旅程以来，你已经分别探访了非常巨大的世界和非常微小的世界。在宇宙王国快速飞行时，你发现了我们宇宙巨大尺度的样貌以及它们如何服从广义相对论的统治。在微观世界，你看到了大自然的量子规则与我们在日常生活中所熟悉的一切如此不同。直到本书这个部分开始之前，在理论和实验中，你所旅行的都是已知的疆域。你看到了在一个二十一世纪初的科学家眼中的宇宙的样子，不管是在哪一个尺度。

在这个部分里，你开始看到这些知识的局限。你看到了不仅广义相对论和量子场理论难以互相交流，还看到了在一些人眼中量子规则看起来没有统治我们日常活动的原因，或许是因为有平行世界的存在。

在本书第七部分，你甚至会看到更诡异的事情。

现在，让我们继续你的头脑练习，离开微小世界，回到爱因斯坦的疆域。他的理论又怎么样了？那里又有什么谜团隐藏着？

真的有吗？

它们也像给量子场理论蒙上灰尘的无限性那么普遍吗？

最后那两个问题的答案都是：是的。

1. 它也很有可能死去，但快乐的结局总是更受欢迎一点。​​​​​

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