许多科幻电影和小说中，都有平行宇宙出现。在这些电影或小说中，主人公在不同的宇宙中出现，在故事开始时每一个宇宙都差不多，但此后的发展却各不相同。在有些宇宙中，主人公遭受失败甚至丧生，然而在另一些宇宙中却取得成功。甚至，由于某种神奇的、无法解释的机制，主人公从一个宇宙穿越到了另一个宇宙。那么，这些平行宇宙究竟是纯粹的幻想，还是也有一些科学依据？这是赛先生2017科普创作协同行动的第6篇文章。
撰文：陈学雷（中国科学院国家天文台）责编：韩琨
也许出乎很多人意料的是，平行宇宙的概念确实来自严肃的科学理论——量子力学。20世纪20年代，为了解释原子物理实验中观测到的微观现象，玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克、玻恩等人建立了量子力学理论。这一理论取代了传统的经典力学理论，成为现代物理学的基石。
然而，尽管量子力学的数学形式理论早已确立，但其中的许多概念与我们日常生活中的直觉如此不同，人们始终对它感到难以完全理解，直到现在仍有各种不同的诠释。这其中一种影响很大但仍有相当争议的解释，是由埃弗里特（Hugh Everett）提出的多世界诠释。
要了解什么是多世界诠释以及埃弗雷特为什么要提出这种诠释，我们先来看看量子力学中一些让人们感到困惑的问题。
量子力学中的测不准原理告诉我们，即使已经获得了关于某一系统初始状态最完备的信息，并且我们也知道它将如何演化，我们仍然无法完全准确地预言每一个量子测量实验的结果，而只能给出几率性的预言。
比如，已知一个电子的自旋状态为沿着z轴方向+1/2，这已给出了对该电子自旋态的完全描述，沿着z轴的测量我们可以得到确定的结果，但是如果我们现在沿着垂直于z轴的x轴进行测量，则不能得到确定的结果，只能预测可能出现的结果是+1/2或-1/2，且两种可能性各为一半。又如，我们可以给出一个原子核的波函数，但仍然无法准确预言它将何时衰变，而只能给出它在不同时刻衰变的几率。如何理解这种几率性的结果呢？
不同的量子力学诠释给出了不同的回答。
首先，爱因斯坦等人怀疑量子力学并非最后的、完备的理论，爱氏有名言“上帝不会掷骰子”。也许，有某些我们还不知道的未知因素（隐变量）影响最后的结果，只是由于我们不知道这些变量而导致测量的几率结果？
但是，越来越多的实验证实，在各种不同的物理体系中，都可以用量子力学的原理对其实验的几率分布给出准确的预言，很难想象这些不同的体系中都隐藏着相同的、我们还不知道的隐变量能刚好给出与量子力学一致的结果。
更致命的是，贝尔（John S. Bell）导出了对于纠缠粒子自旋量子测量的贝尔不等式，他发现在这种实验中，基于定域隐变量（也就是符合狭义相对论和实在论）的经典理论无法给出与量子力学相同的结果，而此后进行的实验结果与量子力学完全一致，从而排除了定域隐变量理论的可能性。
虽然量子力学赢得了实验的胜利，但如何解释测量的不确定性，对量子力学也是一个挑战。
量子力学中系统的状态是由波函数描述的，而波函数随着时间的演化则由薛定谔方程决定，这种演化是决定论的，就此而言，它和经典力学似乎并无不同。既然如此，在实验中为什么总是存在不确定性呢？对此，玻尔、海森堡等人发展的哥本哈根诠释是最常见的标准诠释。
按照这种诠释，量子力学的测量过程是一种非常特殊的过程，对量子系统的测量瞬间改变了其状态，使波函数由多个可能状态的线性组合瞬间塌缩到观测量算符的一个本征态上，这就是所谓波包塌缩。哥本哈根诠释认为，这种波包塌缩不是由薛定谔方程主导的幺正演化，而是量子测量过程，即量子系统与遵守经典力学的测量仪器的相互作用，所导致的一种破坏幺正性的特殊演化，在这种演化中可以根据玻恩定则产生几率性的结果。
在这些悖论中，哥本哈根解释虽能自圆其说，但是其付出的代价是，波函数不再是完全客观的存在，而是变成一种依赖于观测者的东西。美国物理学家莫珉（David Mermin）曾这样形容这一古怪情况：在没有人看月亮时（量子测量进行之前），月亮并不存在！
正是由于哥本哈根解释中存在的这些问题，埃弗里特提出了一种与哥本哈根诠释完全不同的量子力学诠释，即多世界诠释。
埃弗里特是惠勒（J.A. Wheeler）在普林斯顿大学的学生。惠勒一直主张从物理理论（例如量子力学的薛定谔方程）本身导出其诠释，而不附加人为的假设（例如测量导致的波包塌缩）。1954年，玻尔到普林斯顿大学演讲量子力学，引起埃弗里特的思考。
他提出了一种新的量子力学诠释，主张不预先假定存在具有特殊地位（服从经典力学）的观测者或测量仪器，待测系统和仪器的整体状态可由一个普适波函数（universal wave function）描述，量子测量就是待测系统和仪器之间的相互作用，由整个系统的薛定谔方程决定，相互作用导致二者形成一种关联的（纠缠的）状态，埃弗里特将这种关系称为相对态（relative state）。
在这一理论中，波函数是实体，并没有哥本哈根诠释中的波包塌缩，一切演化都是由薛定谔方程决定的。在测量过程结束后，系统仍处在不同态的线性叠加态上，当然也就没有波包塌缩。
不过，对于量子实验中看到的几率现象在多世界理论中如何解释，还是存在疑问和争议——既然每种可能性都实现了，又如何谈到几率？这个几率来自我们究竟是众多可能世界中的哪一个，这是随机的。
通常，我们用量子力学可以计算在实验中各种结果发生的几率，这由波函数绝对值的平方给出，这就是所谓玻恩规则。埃弗里特试图从量子力学的数学形式本身导出或者证明通常量子力学中作为基本假定的玻恩规则，也就是说，考虑重复的实验，其不同的实验结果在所有多世界中的分布，埃弗里特发现，如果加上一些假设，可以得到玻恩规则。但德维特和他的学生Neil Graham对这一证明并不满意。
他们给出了自己的证明，而之后也不断有人试图改进或者提出新的证明，但这些证明一直存在争议，也有疑难之处。
多世界诠释现在已是量子力学的主流诠释之一。不过，很多人还是觉得这种诠释难以接受。在多世界诠释中，每一次微小的相互作用都会产生数量巨大、相差无几的平行宇宙，这不免令人觉得古怪。总之，在一段时间里埃弗里特的理论几乎无人了解。
直到几年之后，惠勒学派另一位学者、研究量子宇宙学理论的德维特（Bryce Seligman De Witt）认为多世界理论非常重要而却默默无闻，感叹“这是世界上保守最好的秘密”。他撰文介绍了埃弗里特的论文，将该理论称之为量子力学的多世界诠释，并编写了包括埃弗里特论文在内的《量子力学多世界诠释》一书。渐渐地，多世界理论终于变得广为人知，最后成为许多科幻小说和电影的题材。