深度长文：为什么说双缝干涉实验很恐怖？到底恐怖在哪？|双缝干涉实验|宇宙|深度长文|爱因斯坦|物理学家|薛定谔

说恐怖夸张了，更多的只是难以理解违背常识。

双缝干涉实验的实验方法其实很简单，就是让一束光通过挡板上的两条平行缝隙，我们就能在挡板后面的幕布上看到明暗相间的条纹。

这个看似普通的实验，却承载着人类对光的本质的百年探索，它的背后，是物理学界一场跨越两个世纪的争论与变革。

从物理学角度来说，这个实验直接证明了光是一种波。

因为光波在通过两条平行缝隙后，会发生自我干涉现象：当两列光波的波峰与波峰相遇时，亮度就会增强，形成亮条纹；当波峰与波谷相遇时，亮度就会减弱，形成暗条纹，正是这种干涉作用，才在幕布上呈现出了明暗相间的规律条纹。

这一现象在我们的日常生活中也能找到类似的影子，比如将一块石头投入平静的湖面，产生的水波遇到障碍物上的两个小孔时，会在障碍物后方形成类似的干涉花纹，这也从侧面印证了波的干涉特性。

其实，这个实验在19世纪初就被科学家们做过了。

1801年，英国物理学家托马斯·杨首次完成了双缝干涉实验，他用单色光照射带有两条狭缝的遮光板，在板后的屏幕上观察到了清晰的明暗相间条纹，这一实验有力地反驳了当时流行的“光的粒子说”，奠定了光的波动说的基础。

在之后的100多年里，这个实验一直被当作证明光的波动性的经典案例，科学家们也没有觉得这个实验有什么特别了不起的地方，它就像物理学课本里一个普通的知识点，安静地存在了一个多世纪。

但进入20世纪后，这个看似普通的实验，开始被物理学家们高度重视起来，甚至成为了量子力学发展的核心实验之一。

为什么会出现这样的转变？

答案就藏在爱因斯坦提出的“光的波粒二象性”理论中——随着各种实验的不断验证，人们发现光不仅具有波动性，还具有粒子性，它就像一个“双面人”，在不同的实验条件下，会展现出完全不同的特性。

这一发现让物理学家们陷入了一个棘手的问题：既然光在最微观的结构下是一个个的粒子（光子），那么当单个光子通过左缝时，它怎么知道右缝的存在呢？要知道，干涉现象是波的特性，只有当一列波同时通过两条缝隙时，才会发生自我干涉，而单个光子作为粒子，理论上只能通过其中一条缝隙，根本不可能“感知”到另一条缝隙的存在，更不可能发生干涉。

刚开始，物理学家们还试图“自欺欺人”。

因为在当时的技术条件下，没有人能在实验室里让光变成一个个的光子发射出去，所以物理学家们就想，或许是因为我们发射的光不是单个光子，而是大量光子聚集在一起，才会产生干涉条纹；如果让光子一个个通过双缝，干涉条纹就会消失。

这种想法看似合理，却也只是物理学家们的一种自我安慰，他们始终无法摆脱一个核心疑问：单个光子到底能不能产生干涉？

但好景不长，没过多久，物理学家们发现电子同样具备波粒二象性——1927年，戴维森和革末通过电子衍射实验，证明了电子也能像光一样产生衍射现象，而衍射是波的典型特性，这就意味着电子不仅是粒子，也是一种波。

更重要的是，电子比光子更容易控制，科学家们制造出了可以一个个发射电子的电子枪，终于有机会验证“单个粒子能否产生干涉”这个核心问题。

于是，一个划时代的实验开始了：电子被一个个地射向双缝，实验一做就是一年多。

在实验过程中，科学家们耐心地记录着每一个电子在荧光屏上的落点，起初，荧光屏上只是一个个杂乱无章的光点，看不出任何规律；但随着电子数量的不断增加，荧光屏上的光点逐渐汇聚，一条条明暗相间的干涉条纹慢慢呈现了出来。这个结果让所有物理学家都感到震惊——单个电子竟然也能产生干涉！

这一刻，物理学家们知道，一个潘多拉盒子被打开了，从此物理学的江湖彻底大乱。一个电子，它怎么能够通过左缝的时候，知道还有另外一条右缝的存在，从而改变自己的运动轨迹，与“另一个自己”发生干涉呢？

这个问题还可以用更简洁的方式来问：一个电子到底是通过了左缝，还是通过了右缝？

面对这个无法解释的现象，以玻尔为首的哥本哈根学派给出了他们的解释：一个电子同时通过了左缝和右缝！

这并不是说电子会分身术，一分为二，一半通过左缝，一半通过右缝，而是哥本哈根学派创造了一个前所未有的概念——叠加态。

他们认为，一个或一团基本粒子可以处于某种叠加态中，多种不同的状态相互叠加在一起，一个电子可以同时处于不同的位置、拥有不同的速度和自旋方向。

正是因为在量子世界中，电子可以拥有如此神奇的本领，它才能在双缝实验中，“自己和自己”发生干涉。

这个概念当然遭到了很多物理学家的反对，他们无法接受这种违背常识的解释——在我们的宏观世界里，任何一个物体都只能处于一个确定的状态，比如一个人要么在客厅，要么在卧室，不可能同时出现在两个地方；一个杯子要么是完整的，要么是破碎的，不可能同时处于完整和破碎的叠加状态。但在量子世界里，这一切都变得可能。

这些反对哥本哈根诠释的物理学家，继续在实验室里研究电子到底通过了哪条缝，他们试图找到电子“分身”的证据，或者推翻叠加态的概念。

但非常奇怪的是，当他们在某条缝隙上安装一个检测装置，一旦明确测定电子通过了哪条缝隙，荧光屏上的干涉条纹就会瞬间消失，电子仿佛“知道”自己被观测了，从而改变了自己的行为，从叠加态变成了一个确定的状态。

哥本哈根学派继续解释说，电子以不同的概率同时处于所有可能的位置，在数学上，我们可以用一个波函数来描述电子在每一个位置出现的概率。

而薛定谔方程，就是一个描述波函数如何随着时间演化的方程，这种演化在没有测量之前，是连续且平滑的，电子始终处于叠加态中。

但一旦对电子进行精确测量，就会得到一个明确的结果，在测量的瞬间，描述多种状态的波函数会突然坍缩，从叠加态中的多种状态，坍缩成其中的某一种状态，中断了波函数原本平滑的演变过程。

很多人听完哥本哈根学派的解释，依然一头雾水，没关系，我们总结一下，你只需要知道几个结论性的概念就好。

第一，为了解释电子的奇怪现象，哥本哈根学派创造了一种叫做「叠加态」的概念，它完全超出了我们的日常生活经验，没有人能够真正理解。这就好像让一个天生的盲人去理解什么是颜色一样，他无法真正理解颜色的具体样子，但盲人不能因此否定颜色的存在；我们无法理解叠加态，也不代表叠加态不存在，它只是量子世界的基本规律之一。

第二，当人们继续追问，测量是如何导致波函数突然坍缩的，电子又是怎样从叠加态突然变成确定态的，哥本哈根学派就会回答说，这些问题没有意义，他们不予回答，反正知道测量会得到确定结果就好。

这听起来有些“霸道”，但不可否认的是，按照这套“没人能理解”的理论，我们能够对电子的行为做出精确的计算，从而发明了电子计算机、半导体、激光等一系列改变世界的电子产品，这些科技成果，也间接证明了哥本哈根诠释的合理性。

但这样一套“回避核心问题”的理论，让很多物理学家感到非常难受。

他们孜孜不倦地寻找着一个更加合情合理的理论，就好像一个弄不清楚颜色是什么就绝不罢休的盲人一样。而休·埃弗里特，就是他们中的一员，他用一个看似“疯狂”的想法，为量子世界的解释，开辟了一条全新的道路，也创造了今天被无数科幻作家们热爱的平行宇宙概念。

1954年的某个夜晚，埃弗里特和几个好友喝了几杯，正处于晕晕乎乎的状态时，一个绝妙的想法突然出现在他的脑海中。这个想法就像一道闪电，照亮了他长期以来对哥本哈根诠释的困惑，在随后的几个星期里，他把这个想法发展成了一篇论文的初稿，正是这篇论文，彻底改变了人类对量子世界和宇宙的认知，也诞生了平行宇宙的概念。

埃弗里特的想法其实很简单，他从薛定谔方程的基本性质出发，提出了三个核心假设：如果波函数的连续演变没有因为测量行为而被打断；如果薛定谔方程始终适用，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都是真实存在的；那么，这样一个世界，在我们的眼中会是什么样子呢？

根据这些想法，埃弗里特提出了一个貌似“疯狂”的观点，他认为，每当观测者与处于叠加态中的物体发生相互作用时，观测者的波函数就会发生分岔，相互叠加的每种状态都会产生一个分支。这个观测者在每个分支里都有一个“分身”，每个“分身”都会观察到叠加态中的一种状态，作为自己的测量结果。

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，形成一个个相互平行的宇宙。

为了让大家更好地理解这个概念，我们计划用起源、模型、争议及猜想这四个方面，来为大家详细介绍平行宇宙。平行宇宙有时候也叫做平行世界、多重宇宙、多世界等等，这些说法其实都是一个意思，考虑到“平行宇宙”这个词最流行，我们在后面的内容中，就统一使用这个词。

平行宇宙是最近这几年非常热门的一个概念，这几年涌现出的很多电影、电视剧，都以平行宇宙的概念为题材，比如，2001年李连杰主演的电影《救世主》，讲述了来自不同平行宇宙的“自己”相互争斗，争夺宇宙能量的故事；

2011年的《源代码》，主角通过高科技进入平行宇宙，试图阻止恐怖袭击，拯救更多人的生命；

2014年阿汤哥主演的《明日边缘》，主角在平行宇宙中不断循环重生，最终战胜外星生物；

同一年上映的广受好评的小成本电影《彗星来的那一夜》，则用细腻的剧情，展现了平行宇宙相互交错时，人们的迷茫与混乱；

还有美剧《危机边缘》，更是将平行宇宙的设定贯穿始终，讲述了两个平行世界之间的冲突与联结。

平行宇宙的概念虽然很热，但它到底是什么？它的科学性有多高？这个概念又是因为什么样的科学发现而产生的？恐怕能讲清楚的人并不多，我们相信，通过接下来的内容，一定能让你在聚会聊天时，围绕平行宇宙这个话题大放异彩，让身边的人对你刮目相看。

实际上，平行宇宙的类型有非常多种，著名的物理学家、科普作家布莱恩·格林，就把平行宇宙模型分成了9种不同的类型，一种比一种脑洞大开。

比如，视界平行宇宙，源于宇宙的膨胀速度超过光速，我们能够观测到的宇宙只是整个宇宙的一小部分，在我们观测不到的视界之外，还有无数个和我们一样的宇宙；暴胀平行宇宙，源于宇宙大爆炸后的暴胀理论，认为宇宙在暴胀过程中，会不断产生新的“子宇宙”，每个子宇宙都有自己的物理规律；还有弦理论预言的膜宇宙，认为我们的宇宙只是一张“宇宙膜”，在更高维度的空间中，还存在着无数张类似的“宇宙膜”，这些“宇宙膜”的碰撞，可能就是宇宙大爆炸的起源。

但我们今天并不打算展开介绍这些复杂的平行宇宙模型，今天的核心，是带大家回到平行宇宙概念诞生的最初源头，了解这个“疯狂”概念背后的故事，认识那位被称为“平行宇宙之父”的物理学家——休·埃弗里特。

平行宇宙这一概念的诞生，可以追溯到1954年，美国物理学家埃弗里特是公认的概念创造者。他用于解释量子力学的“多世界诠释”，以及由此发展而来的退相干理论，在物理学界无人不知、无人不晓。然而，这位英年早逝的物理学家的生平故事，却鲜为人知，甚至很多人在了解平行宇宙概念多年后，都不知道它的创造者是谁。

《科学美国人》的作者彼得·伯恩与俄罗斯历史学家尤金·希霍夫采夫等人，为了还原埃弗里特的一生，检索了大量的文献资料，走访了埃弗里特曾经工作过的实验室，还亲自采访了他的同事、朋友以及儿子，终于为我们揭开了这位科学家充满悲剧色彩的一生，让我们得以了解，这个“疯狂”的概念，是如何在一个充满才华却又命运多舛的人手中诞生的。

休·埃弗里特三世，于1930年出生在美国华盛顿特区。

他的爸爸和爷爷都叫休·埃弗里特，所以按照西方人的习惯，这位创造了平行宇宙概念的科学家，其实是埃弗里特三世。埃弗里特从小就展现出了过人的天赋，尤其对物理学和宇宙学有着浓厚的兴趣，据说他12岁的时候，就给爱因斯坦写过一封信，在信中，他向爱因斯坦提出了一些关于宇宙学的问题，比如宇宙的起源、黑洞的本质等等。

让人意外的是，爱因斯坦居然亲自给这个12岁的孩子回了信，耐心地解答了他的疑问，这份回信，也更加坚定了埃弗里特投身物理学研究的决心。

埃弗里特的大学本科就读于美国天主教大学，主修物理，他的本科成绩非常优异，几乎每一门课程都是满分，毕业时，他获得了奖学金，顺利进入了普林斯顿大学物理系深造，专攻量子力学。而他的导师，就是大名鼎鼎的约翰·惠勒教授——惠勒是20世纪最伟大的物理学家之一，他不仅在量子力学和相对论领域有着卓越的贡献，还培养了一大批优秀的物理学家，埃弗里特就是他最得意的学生之一。

埃弗里特攻读博士学位的年代，正是物理学的黄金时代，尤其是量子力学，正以前所未有的方式不断刷新着人类的观念。当时，占据着量子力学核心地位的，就是以玻尔为首的哥本哈根学派，他们对量子世界中各种奇异现象的解释，被统称为“哥本哈根诠释”。哥本哈根诠释在当时的物理学界占据着绝对的主导地位，绝大多数物理学家都接受了这套理论，但也有一部分物理学家，始终对这套理论充满了质疑，其中最具代表性的，就是爱因斯坦。

爱因斯坦和玻尔的论战，是物理学史上最著名的论战之一，这场论战旷日持久，从20世纪20年代一直持续到爱因斯坦去世，至死都没有停止。

爱因斯坦始终无法接受哥本哈根诠释中“叠加态”和“波函数坍缩”的概念，他曾多次在公开场合表示，“上帝不掷骰子”，他认为，量子世界的不确定性，只是因为我们的认知还不够全面，总有一天，我们会找到一个更根本的理论，来解释量子世界的所有现象，而不是用“叠加态”这种违背常识的概念来回避问题。

20多岁的埃弗里特，在学习了哥本哈根诠释后，也对这套理论产生了强烈的质疑，在他看来，哥本哈根诠释是“荒诞”的、“不完整”的。他曾经在一封给《现代物理评论》杂志编辑德威特的信中写道：“哥本哈根诠释的不完整性无可救药，因为它首先依赖于经典物理学……它还是一个将‘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。”

很多人第一次听到哥本哈根诠释的时候，脑子里的第一反应都是“荒唐”，这哪里像是一个物理学家提出的理论啊？为了让大家更好地理解埃弗里特的质疑，我们再用人话解释一遍哥本哈根诠释的核心：在没有测量之前，电子处于“通过左缝”和“通过右缝”的叠加态中，它既通过了左缝，又通过了右缝；而当我们安装检测装置，对电子进行测量时，电子的波函数会瞬间坍缩，从叠加态变成一个确定的状态，要么通过左缝，要么通过右缝，干涉条纹也会随之消失。

而埃弗里特的想法，却完全推翻了这种解释。

他认为，根本不存在“波函数坍缩”这种现象，波函数会一直按照薛定谔方程连续、平滑地演化，不会因为测量而中断。当我们对电子进行测量时，不是电子的波函数坍缩了，而是我们自己的波函数发生了分岔，分裂成了两个不同的分支——在一个分支里，我们观测到电子通过了左缝；在另一个分支里，我们的“分身”观测到电子通过了右缝。

更重要的是，这两个分支一旦形成，就会相互独立，再也无法影响彼此，形成两个平行的宇宙。也就是说，在我们这个宇宙中，电子通过了左缝；而在另一个平行宇宙中，电子通过了右缝，我们的“分身”正在那个宇宙中，观察着和我们截然不同的实验结果。而且，这种分裂并不是只发生在电子测量的瞬间，只要有量子叠加态的存在，只要有观测行为，宇宙就会不断地分裂，产生无数个平行宇宙。

怎么样，是不是非常疯狂？请大家务必把自己想象成是第一次听到平行宇宙的理论，这样你才能更好地体会到，当时埃弗里特的导师惠勒看到这篇论文时的那种感受——震惊、困惑，又带着一丝兴奋。

要知道，当时的物理学界，所有人都被哥本哈根诠释所束缚，没有人敢提出这样一个“颠覆认知”的想法，而埃弗里特，一个还在攻读博士学位的年轻人，却敢于挑战权威，提出了一个全新的、看似“荒诞”却又逻辑自洽的理论。

我们可以想象一下，当我们测量一个电子的时候，整个宇宙就会分裂成无数个平行的宇宙。

因为电子的叠加态包含了无数种可能的状态，每一种状态都会对应一个平行宇宙，而我们所说的宇宙，是包含了1400多亿个已知星系的庞大存在，并不是仅仅只有地球这一个世界。也就是说，每一次测量，都会产生无数个和我们这个宇宙一样庞大的平行宇宙，这样的场景，想一想就让人感到震撼，也难怪很多人会觉得这个理论“疯狂”。

但虽然疯狂，这个理论却有一个最大的优势——它是一个可以被我们理解的理论，每一个词、每一个概念，我们都能听懂，不需要像哥本哈根诠释那样，用“叠加态”“波函数坍缩”这种难以理解的概念来回避核心问题。

普林斯顿高等研究院的科学家马尔达西那的看法，就反映了物理学家们对埃弗里特理论的普遍态度，他说：“如果站在量子力学的角度来考虑埃弗里特的理论，我相信这是最合理的解释。但在日常生活中，我绝对不相信这个理论。”

这句话道出了很多物理学家的心声：从理论层面来说，埃弗里特的多世界诠释，是目前解释量子现象最逻辑自洽、最完整的理论，它解决了哥本哈根诠释无法解决的“波函数坍缩”难题，不需要引入任何额外的假设，完全基于薛定谔方程的基本性质；但从日常生活经验来看，这个理论实在是太违背常识了，我们无法感知到其他平行宇宙的存在，也无法想象自己有无数个“分身”在不同的宇宙中生活，所以，很多物理学家在日常生活中，依然会默认使用哥本哈根诠释来解释量子现象。

在这里，我们必须提醒大家，为了科普的需要，我们把埃弗里特论文中的所有数学和理论物理部分全都略去了。

真实的论文，并不是像我们现在这样，用通俗易懂的科幻小说式的写法来描述，而是包含了大量的数学推导、公式证明和概念定义，是一篇非常严谨的学术论文。而且，1954年埃弗里特写出的只是论文初稿，直到1956年，他才在惠勒的指导下，完成了正式的博士论文，由此可见，埃弗里特并不是一个随意开脑洞的“民科”，而是一个有着扎实的物理学基础、严谨的科学态度的科学家。

惠勒非常重视埃弗里特的这篇论文，他认为这篇论文有着划时代的意义，能够彻底改变量子力学的发展方向。为了让这篇论文得到物理学界的认可，惠勒特意带着论文前往哥本哈根，与玻尔以及哥本哈根学派的其他物理学家，进行了三轮“漫长而激烈的讨论”。我们在惠勒写给埃弗里特的信中，可以看到这样的评价：“你的完美波函数公式自然无人撼动；但我们所有人都觉得，真正的问题在于这么多公式后面所附的说明性文字里面。”

这些说明性文字中，埃弗里特用人和炮弹的“分裂”来描述公式所隐含的科学寓意，这种通俗的描述，让惠勒感到十分头痛——在严谨的学术论文中，用这样“不严谨”的方式来描述理论，很容易被其他物理学家质疑。而哥本哈根学派的科学家们，更是对埃弗里特的理论嗤之以鼻，认为这是一种“神学”，而不是科学，他们无法接受“宇宙分裂”这种看似荒诞的想法，始终坚持哥本哈根诠释的正确性。

到了1957年，埃弗里特尽管万分不情愿，但为了顺利毕业，不得不对自己的论文进行了大幅修改，删除了四分之三的内容，其中最核心的“宇宙分裂”相关的描述，被全部删除，论文中再也没有提到“分裂”两个字。

修改后的论文，终于在著名的学术期刊《现代物理评论》上发表，这篇论文，后来成为了量子力学发展史上极具重要性的论文之一，为后来的退相干理论、平行宇宙研究奠定了基础。

然而，令人遗憾的是，这篇论文发表后的20多年里，根本没有人认识到这篇论文的价值。偶尔有人提到这篇论文，也都是以嘲笑的口吻，认为埃弗里特的想法太过“疯狂”，不符合科学规律。这种被忽视、被嘲笑的处境，让埃弗里特感到极度沮丧，他逐渐对理论物理学失去了信心，脱离了理论物理学界。

离开物理学界后，埃弗里特进入了美国国防部工作，在那里工作了几年后，他开始创业，成立了自己的公司，主要从事军事和工业领域的咨询工作。但埃弗里特的创业之路并不顺利，他的公司始终没有取得太大的成功，只能勉强维持运营。

在生活中，埃弗里特也并不是一个成功的人。他长期抽烟、酗酒，身体状况越来越差；他的家庭关系也十分紧张，与妻子矛盾重重，最终选择了离婚；他有一个女儿和一个儿子，女儿长大后患上了精神分裂症，深受病痛折磨，最终选择了自杀；他的儿子后来成为了一名小有名气的摇滚歌星，但在儿子的眼中，父亲是一个冷酷无情、意志消沉的酒鬼，父子俩的关系一直十分疏远。

就在埃弗里特投身创业、生活陷入低谷的时候，物理学界开始艰难地重新发现他的多世界诠释。我们之前提到的那位《现代物理评论》的编辑德威特，在偶然间看到了埃弗里特未经删减的原始论文，他被论文中的想法深深震撼，开始大力支持埃弗里特的理论。德威特找到了埃弗里特，征得他的同意后，将他未经删减的原始论文，编辑成了一本名为《量子力学的多世界诠释》的书籍，正式出版发行。

这本书的出版，让埃弗里特的多世界诠释开始被更多的物理学家关注。到了1976年，一位科幻小说家受到埃弗里特多世界理论的启发，写了一篇描写多世界的科幻小说，这篇小说一经发表，就一炮走红，“多世界”这个词开始在大众中迅速流传开来，后来，人们又将“多世界”进一步衍生为“平行宇宙”，这个概念也逐渐走进了大众的视野。

正当埃弗里特的贡献被世界逐渐重新发现，他的理论开始被越来越多的人认可的时候，悲剧发生了。

1982年7月19日，51岁的埃弗里特因心肌梗死，在睡梦中悄然离世，结束了他充满悲剧色彩的一生。他没有等到自己的理论被物理学界广泛认可的那一天，也没有等到平行宇宙概念风靡全球的那一天，更没有机会看到，自己的想法，竟然会成为无数科幻作品的灵感源泉，影响了一代又一代人。

但埃弗里特虽然离开了，由他创造的平行宇宙概念，却越来越火。

如今，平行宇宙已经成为了科幻作品中最热门的题材之一，也成为了物理学界研究的热门方向。每当我们在饭桌上大谈某一部讲平行宇宙的科幻电影，每当我们讨论量子世界的神奇现象，我们都应该记得，有这样一位落魄的物理学家，在半个多世纪前，用一个“疯狂”的想法，为我们打开了一扇通往多元宇宙的大门。

双缝干涉实验的“恐怖”，从来都不是来自实验本身，而是来自它所揭示的量子世界的真相——我们所熟悉的宏观世界的规律，在量子世界中完全不适用；我们所感知的“真实”，或许只是无数个平行宇宙中的一个。埃弗里特的多世界诠释，虽然看似疯狂，却为我们提供了一个理解量子世界的全新视角，也让我们对宇宙的本质，有了更深刻的思考。

或许，在某个平行宇宙中，埃弗里特没有离开物理学界，他的理论被及时认可，他成为了物理学界的传奇；或许，在某个平行宇宙中，我们已经找到了平行宇宙存在的证据，能够与其他宇宙的“自己”相互沟通；或许，在某个平行宇宙中，量子世界的规律，和我们的宏观世界一样，简单而清晰。而这，正是平行宇宙概念的魅力所在——它不仅是一个科学猜想，更是人类对未知世界的无限向往与探索。