我很怀疑，是否有某些不那么神秘的物理过程也能做到这一点呢？如果有一个封闭孤立的系统，不与外界发生任何交互，用薛定谔方程很容易证明，那些讨厌的数字永远不会消失。但是，真实的系统却不可能是孤立的，于是我开始问自己，在这些系统中，情况又是如何呢。比如，当你正在读这句话时，空气分子和光子不断撞击着你的身体。所以，如果某个物体同时处在两个不同的地方，当其他物体和它相撞时，那个描述它的2×2数表又会发生什么事呢？
这就是那个奇妙的“自问自答”问题，剩下的一切秘密都会自动展开。为了简化，我把那个物体和与之相撞的一颗粒子看作一个孤立的系统，用薛定谔方程来计算接下来会发生什么事。
几个小时后，我坐在那里，面前摆着几大张纸，密密麻麻写满了数学符号。我喘了一口气，那些非对角元会变得非常接近0，就像波函数坍缩了一样！当然，它并没有真正坍缩，平行宇宙依然存在，却出现了一种崭新的效应。有了这种效应，不管你从什么方向看、从哪个角度闻，波函数都像是坍缩了一样，看起来和真正的坍缩没什么两样。这样，我们就无法观察到一个物体同时位于两个地方。所以，量子怪诞性并没有消失，它只是被审查了！就像新闻被审查一样，事情并不是没有发生，只是你看不见而已。
我的结论是，量子力学需要进行保密：某个物体的位置只有在不为世界所知晓的情况下，才能同时处于两个位置的叠加态。如果秘密被泄露了，所有量子叠加态效应就会瞬间坍缩，变得不可观测，从我们实际观察到的角度看，也就是说物体瞬间变成了“这里”和“那里”二选一的状态，只不过你不知道是哪一个。
那如何才算泄露秘密呢？如果一个实验室技术人员测定了它的位置，把它记录在纸上，这很明显是一种信息泄露。但是，还有很多情况都可以被看成是秘密泄露，哪怕只是一个光子撞到了这个物体上，关于位置的信息也被泄露了——物体的位置信息就被编码进了光子接下来的位置信息中。根据所撞物体所在的位置不同，1纳秒后，这颗光子将处在两个十分不同的位置（见图7-5）。所以，只要你能测定光子的位置，你就能计算出镜子的位置。
在上一章的开头部分，我曾陷入深深的疑惑，不明白波函数坍缩是否一定需要人类观察者作为条件，还是说机器人也可以。现在，我已确信，此事与意识毫不相关，因为一颗小小的粒子也能做到这件事——单个光子撞到一个物体上，对该物体的影响，等同于它被一个人观察到。我意识到，量子力学里所说的观测并不是指人类有意识的观测，而仅仅是指信息的交换。最后，我终于理解了为什么我们永远看不到宏观物体同时处在两个位置，即使它们实际上确实同时位于两个位置：这并不是因为它们个头很大，而是因为它们很难被分离成孤立的系统！
一般情况下，一个保龄球每秒会受到1020和1027个空气分子的撞击。很显然，从定义上说，我们不可能看见一个不被光子撞击的物体，因为物体能被我们看见正是因为撞击在它表面的光子（也就是光）进入了我们的眼睛。所以，即使一个保龄球同时处在两个地方，它的量子叠加态也会早在我意识到它之前就消失在视线中。相比之下，如果你用一台绝好的真空泵不断向外泵出尽可能多的空气分子，那么，一般来说，一颗电子在大约1秒的时间内不会撞到任何东西。这个时间对证明诡异的量子叠加态行为来说，已经远远足够了。比如，一颗电子在原子内绕一圈只用花费10-15秒，所以，在如此“漫长”的1秒钟时间内，它同时出现在原子各个方位的能力几乎不会受到什么影响。
此外，如果一个空气分子撞到一个保龄球，并把保龄球的位置信息编码入自己的位置信息（见图7-5），由于这个分子很快就会和其他空气分子相撞，那么，保龄球的位置信息就会迅速传递给其他分子。
这很像维基解密在网上公布了一些绝密的信息，这个信息会被人拷贝，接着，拷贝的版本也会被拷贝……很快，情况就变得不可控制，根本不可能再把这个信息从公众视线中完全剔除，再次变成保密状态。对保龄球来说，如果你不能再把它的信息变成秘密，它就不可能继续维持量子叠加态。现在，我终于明白了我们为什么看不到第三层平行宇宙了！
图7-5 如果你在一间黑暗的房间里拍摄一张闪光照片，照相机所捕捉到的光子中编码了房间里的各种信息。这张图展示了单个光子如何能“测量”物体——当一个光子撞到一面镜子后，光子就将镜子的位置信息编码到自己的位置信息内。如果镜子处于A处和B处的量子叠加态，那么，发现它位置的究竟是一个人还是一个光子，完全不重要，因为这两种情况都会毁掉它的量子叠加态。
那天晚上，我简直超常发挥，干什么都很顺利。我还进行了定量计算，得到了更多细节。比如，大多数物体同时所处的位置其实并不止两个，而是许多个，我把这个也算出来了，正如图7-6里画的那样。我发现，基本上只要一个光子就能把量子叠加态几乎完全摧毁，但能留下一点点残余物——一个小小的、只有光子波长那么宽的叠加态。一个波长为0.000 5毫米的光子就像一个观察者，但本质上说，这个光子观察者对物体位置的测量只能精确到0.000 5毫米。上一章我们已经讲过，所有粒子都具有波动的性质，因此都拥有波长，而我的发现表明，任意一个粒子撞到某个物体上面，大于粒子波长的量子叠加态都将会摧毁殆尽。
图7-6 关于倒下的扑克牌，你所知道的信息可以表示为一个所谓的密度矩阵。密度矩阵可以表示为一个起伏不平的曲面，就像图中所示的鼓出的四座山峰。对角线（已用黑线描出）上两座“山峰”的高度代表扑克牌位于不同位置的概率。而另外两座山峰，不严格地讲，表示了量子怪诞性的程度，也就是它同时位于不同位置的性质。左边的密度矩阵中，有两座山峰被标记了“量子干涉”，代表扑克牌同时位于两个不同的地方，处于量子叠加态。当一颗光子撞到扑克牌后，发生退相干，将两座山峰抹平，得到了右边的密度矩阵，代表着扑克牌位于一个确定的位置，也就是两个地方二选一，你只是还不知道究竟是哪一个。这些山峰的宽度相当于与正面朝上和正面朝下相关的残余量子不确定性。
时光荏苒，我早就知道了自己热爱物理学，并想为这个领域鞠躬尽瘁，但我以前并不知道自己是否真的具备研究物理的能力、是否真能为之添砖加瓦，还是只能学习前人的成就、在领域边缘的观众席上为他人鼓掌。那天夜晚，当我终于平复思绪，躺到床上时，我人生中第一次满怀信心地对自己说：“是的，我能！”会不会有人把我当晚的发现命名为“泰格马克效应”？我知道，不管结果如何，我永远不会忘记那个兴奋的夜晚。想到自己所获得的种种机会以及那些曾启发我灵感、引领我踏上伟大科学征程的师长，我感到自己真的很幸运。这一切太完美了，完美得简直不像真的。事实证明，确实如此……
两个星期后，我对那晚的发现进行了扩展计算，写出了一份论文草稿，初步命名为《散射引起的表观波函数坍缩》（Apparent Wave Function Collapse Caused by Scattering）。“散射”（scattering）是一个科技术语，用来表示粒子在物体表面撞来撞去的行为。这是我第一次为了公开发表而撰写学术论文，感觉很像小时候的圣诞前夜。我是个左撇子，写一手惨不忍睹的字（上学时，几乎每份作业后老师都会留下“请书写工整一点！”的评语），一想到论文发表后，我乱七八糟的手写体会变成工整的印刷体，我心里就十分兴奋。
与此同时，我陷入了一种有趣的妄想症，总害怕自己的发现已经被别人公开发表过，只是不知为何被我忽略掉了。然后我又安慰自己，如果这么基本的东西早已被人发现，它一定会出现在教科书上，我的研究生量子力学课堂上也肯定会讲到这一点。在查找资料的过程中，每当我翻开一本可疑的参考书时，手都止不住地颤抖，生怕里面已经提到了我的新发现。到目前为止，一切还算好……
抱着论文一定会发表的期待，我甚至改了自己的名字，把姓氏改得更加特别，从我的父姓“夏皮罗”（Shapiro）改成了我的母姓“泰格马克”（Tegmark），免得和别人重名。在瑞典时，我很喜欢我原来的姓——夏皮罗，因为它非常特别，我们几乎是全瑞典唯一姓夏皮罗的家庭。但到了美国，我简直被吓坏了：“夏皮罗”这个姓在国际学术界里几乎和“安德森”（Andersson）在瑞典一样普遍。让我下定决心改姓的最后一根稻草是，当我在数据库里搜索“夏皮罗先生”写的物理学论文时，我得到了几千条相符的结果。单单在我们伯克利物理系，就有3个夏皮罗，其中有一个叫玛乔丽·夏皮罗（Marjorie Shapiro）的，甚至还教过我粒子物理学！相比之下，我搜寻良久之后发现，我母亲和她的亲戚却是地球上唯一姓“泰格马克”的人，所以我义无反顾把姓改成了“泰格马克”。
对于改姓这件事，我很怕我父亲会误解，将其视为对他的冒犯，但是，当我小心翼翼向他提起这件事时，他却向我保证他毫不在意，并引用了莎士比亚的一句名言来表明他的态度：“名字有什么关系呢？”（What’s in a name？）
被人抢先，苦中作乐
一个月后，我从瑞典过完圣诞节回学校，正准备上传我的论文，但忽然一切都崩塌了。我的时间全都白费了。我的心血和热情全都白费了。我的快乐和兴奋瞬间消逝了。我的所有希望也全部化为乌有。砰！就像一颗炸弹一样，只花了几分钟的时间，一切都化为泡影。是谁点燃了火柴？安迪·埃尔比。他告诉我，一位名叫沃依切赫·楚雷克（Wojciech Zurek）的波兰物理学家早就发现这一点了。忘记什么“泰格马克效应”吧！它早就有名字了，叫作“退相干”（decoherence）。实际上，我很快又发现，德国物理学家迪特尔·泽（Dieter Zeh）早在1970年就已经发现这个效应了。
一开始，我并没有什么明显的感觉，就像我平时听到坏消息时的反应一样。我还用开玩笑的口吻向我的好友韦恩、贾斯汀和泰德聊起了这件事。当我回到家时，我根本没注意到自己已濒临崩溃的边缘，反而因为一件愚蠢而琐碎的小事和女朋友大吵一架——只因为她做了一顿只够自己吃的饭，却从冰箱里拿出一份冷冰冰的饭给我吃。一瞬间，我感到悲伤如潮水一样袭来，只想大哭一场，却连哭的力气也没有了。
慢慢地，我对自己被抢先这件事逐渐想开了。首先，我选择科学为毕生事业，正是因为我喜欢发现的快乐，不管我所发现的东西是否已经被别人发现过了，那份快乐都一样深刻，因为在你发现的一瞬间，并不知道有没有人发现过。其次，由于我相信宇宙中还存在更高级的文明，可能在我们的宇宙中、也可能在平行宇宙中，那么，我们在地球上新发现的所有事情，他们肯定早就知道了，所以本质上都是一种重复发现，但这并不会让发现的乐趣减少半分。最后，当你独自发现一件事情时，你的理解会更加深刻，也会怀有更多的尊敬和珍惜。在我的学习生涯中，我逐渐意识到，大部分科学突破都是由一次又一次的重复发现累积起来的——当正确的问题浮现出来，随着解决它们的工具变得唾手可得，自然会有许多人独立找到同样的答案。我记得尤金·康明斯在量子力学课堂上说过一句不动声色的妙语。他说：“它被称作克莱因-戈尔登方程式（Klein-Gordon equation），因为它是薛定谔发现的。”
从那时起，我重复发现了许多前人已经发现过的东西。通常情况下，我会重复发现别人已论述过的基本部分，除此之外还包括一些前人不曾注意的细节（或者反过来）；这些都让我足够发表一些难度较低的新论文，在文中引用前人的论文，并添加一些新东西。
我记得还有一次，感觉有点儿毛骨悚然。我自己列出了一个“退相干的自然界十大来源”榜单，从空气分子、阳光中的光子这样的日常事物到难以屏蔽的背景辐射和太阳中微子。结果，不久之后，我发现在迪特尔·泽和他的学生埃里克·朱斯（Eric Joos）6年前合著的一篇漂亮的论文中，他们也列出了一个几乎完全一样的表单。当然，我那篇论文里包含了一点新东西，足够发表在一本不那么权威的学术期刊上，但是对一个从一开始就想发表轰动论文的人来说，这感觉就像一场惨败。
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事后看来，这并不算我所经历过的最滑稽的“被抢先事件”。1995年，我发明了一种方法，可以用来测定粒子的量子状态（波函数或密度矩阵）。我永远也忘不了那个夜晚，正当我要上传论文的时候，我站在空荡荡的图书馆里，呆若木鸡，感觉自己简直就是个傻瓜：摆在我面前的，是一篇已经发表过的论文，那些家伙不仅抢了我的先，而且他们的图表十分精细，和我的想法完全一样。更令人惊奇的是，他们给这个方法起了一个模棱两可的名字，竟然也和我想的分毫不差：相空间层扫描法（phase-space tomography）。我只能大喊一声“HURF”，这是我和弟弟佩尔发明的一个特别的词，用来形容当时的心情，再合适不过了。
后来，我终于有机会和这些“假想敌”见面，发现他们都是非常友善的好人。迪特尔·泽和楚雷克都给我发来了邮件，热情洋溢地鼓励我的工作，还邀请我去他们那里访问和演讲。2004年，我去洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）拜访了楚雷克，这次行程让我发现了作为科学家最棒的好处：你可以受邀去从未去过的奇妙地方，在此期间你还可以不停地和那些迷人的家伙们聊天，这些都是工作的一部分！他们甚至还会付你钱！
楚雷克有一头厚重的头发，眼睛里闪着顽皮的光芒，昭示着他的冒险精神，不管对工作还是对娱乐都同样如此。在雄伟的冰岛黄金瀑布（Gullfoss Waterfall），他曾劝我和他一起爬下一块危险区的大石头，往前一步看看那奔腾直下的水流——那里是瀑布突然改变方向的地方。我怀疑，有多少个平行宇宙因此在一声惨叫中同时失去了两名退相干理论家。
1996年，我去海德堡拜访了迪特尔·泽和他的团队。他对退相干的发现作出了极其重要的贡献，但我更震惊于他所获得的赞誉之少。实际上，在海德堡大学物理系里，他那些小气的同事根本不把他的成果放在眼里，因为他们认为他的理论太哲学化了，而他们的物理系就位于“哲学家街”，这实在是很讽刺。他的团队不得不搬到一座教堂里开会。而最让我目瞪口呆的是，当迪特尔·译写作全世界第一本退相干领域的书时，唯一的一笔研究经费竟然来自德国信义会教堂。
这让我想起了休·埃弗雷特，原来，他并不是特例。研究物理学，并不是一条通往名誉和光辉的康庄大道。物理学更像是艺术：你从事这个职业，只是因为你热爱它。在我的物理学同行中，只有极少数人选择研究那些真正宏大而重要的问题，每当我看到他们，内心就涌起一种同舟共济的感情。我想，这种感情就好像一帮好友拒绝了高薪工作，决定一起成为诗人的感觉。他们清楚地知道，自己的选择不是为了金钱，而是一场探索人类智慧边界的大冒险。
每当飞机上的邻座问我科学问题时，我就会回想起科学界的竞争以及我被抢先的那些事，也提醒我必须用正确的方法来对待。此时，坐在飞机座位上的，是一位来自物理学国度的大使，他不仅要向外国友人描述自己亲力亲为的事，还必须讲述整个物理学界发生的故事，并为此感到由衷的快乐和骄傲。在研究中，有时我会抢得先机，但更多的时候是我被别人抢先。然而，最重要的事情是，在这个过程中，我们能互相学习，互相启发，共同完成那些单靠一己之力无法完成的伟大事业。这是一个妙不可言的团体，我为自己能跻身其中而感到幸运。
你的大脑为什么不是量子计算机
“罗杰·彭罗斯爵士处于非相干状态，而迈克斯·泰格马克说他能证明这一点。”哇！我在读2000年2月4日的《科学》杂志时，被这个标题惊呆了。我可绝对不会用“非相干”（incoherent）这个词来形容这位著名的数学家，但记者们就喜欢用双关语营造冲突。我只是写了一篇论文，在其中声称彭罗斯的一个理论被退相干干掉了而已。
扫码获取作者这篇被《科学》杂志引用的论文。
最近几年，掀起了一股热潮，人们热衷于建造所谓的“量子计算机”，试图挖掘出量子力学怪诞性的潜力，用来进行高速计算。比如，如果你在网上买了这本书，你的信用卡号会被一种方法加密，而这种方法是基于下面这一事实：两个300位质数相乘很容易，但是要将一个600位数进行因数分解（也就是找出它是哪两个数字的乘积）却很困难。如果用现在的计算机，要算出结果需要花费的时间比宇宙的年龄还长。假如能建造出大型量子计算机，那么，使用我MIT的同事彼得·舒尔（Peter Shor）发明的一种量子算法，黑客很快就能算出答案，偷走你的钱。正如量子计算先驱大卫·多伊奇（David Deutsch）所说，“量子计算机能与无数个平行宇宙中的自己分享信息”，在其他宇宙的“自己”的帮助下，就能迅速获得自己栖身的这个宇宙的答案。
量子计算机还能极其有效地模拟原子和分子的行为，取代化学实验室的测定工作，就像传统计算机取代风洞测量一样。许多现代计算机之所以速度更快，是因为它可以同时运行多个并行程序。量子计算机可以被看成终极的并行计算机，只不过它是将第三层多重宇宙作为计算资源。从某些意义上说，相当于在不同的平行宇宙中并行运行不同的程序。
在建造这样的机器之前，需要克服一些主要的工程障碍，比如如何能更好地分离出量子信息，好让退相干不至于摧毁量子叠加态。我们还有很长的路要走——尽管你的手机都能存储几十亿比特的信息（0和1），但世界各地的实验室里最先进的量子计算机也只具备很小存储能力。不过，彭罗斯等人却提出了一个惊人的想法：也许，你已经拥有一台量子计算机了——就在你的脑袋里！他们认为，我们的大脑（或者是大脑的一部分）就是量子计算机，这或许也正是理解意识的关键点。
由于退相干搅乱了量子效应，我决定用那个被别人抢先发表的退相干公式来检验彭罗斯的想法是否真的可行。首先，我对神经元（见图7-7）进行了计算。大脑中约有数千亿个神经细胞，也就是神经元，它们就像电线一样，传输着你脑中的电信号。神经元又细又长，如果把你的所有神经元排成一列，它们可以绕地球4圈。神经元传递电信号的方式是运送钠原子和钾原子，这两种原子都失去了一个电子，因此都带一个单位的正电荷。
如果你用电压计测量一个休眠的神经元，你会发现，神经元内部和外部之间的电压为0.07伏特。如果神经元的一端被激活，使这个电压降低，那么，细胞壁上一些对电压敏感的大门就敞开了，带电的钠原子就开始源源不断地穿过大门，进入到细胞内部。这一连串的反应叫作放电（firing），并以每小时320公里的速度飞速传遍整个神经元。在这个过程中，大约有100万个钠原子进入了细胞内部。轴突复原的速度相当迅速，最快的神经元每秒能将这个过程重复上千次。
现在，假设你的大脑真的是一台量子计算机，正用神经元的放电进行着量子计算。这样，单个神经元应该能同时处于放电和休眠的叠加态，这就意味着，大约有100万个钠原子会同时位于两个不同的地方，也就是同时位于神经元内部和外部。我们之前曾讨论过，一台量子计算机只有当它处于不为外界所知的保密状态时才能正常工作，那么，一个神经元放电与否的秘密能保守多久呢？
当我输入数据进行计算后，我得到的结果是“根本不够长”。更具体一点说，这个时间大约为10-20秒。在这短暂的时间后，就会有一个横冲直撞的水分子不小心撞上这100万个钠原子中的其中一个，揭穿它位置的秘密，摧毁它的量子叠加态。我还对彭罗斯提出的另一个模型也进行了数学计算，这个模型不是用神经元来进行量子计算，而是用微管（microtubules）。微管是细胞骨架的一部分。我的计算表明，微管退相干的时间大约为10-13秒。
在我看来，量子计算必须赶在退相干之前完成，也就是说，我的思想必须足够快，快到每秒能想出10 000 000 000 000个点子才行。也许罗杰·彭罗斯的思维能达到这种速度，反正我肯定是不行……
图7-7 神经元及其结构的示意图，左为神经元，中为神经元中称为轴突的细长部分，右为轴突膜的一部分。轴突通常被一种叫作“髓鞘”的绝缘物质所包裹，但每隔半毫米左右就会有一小段裸露在外，这里聚集了许多电压敏感通道。如果神经元处于放电和休眠的叠加态，那么，差不多有100万个钠原子（化学式为Na）同时处于“神经元内”和“神经元外”的叠加态（见图右）。
你的大脑不是以量子计算机的方式运行的，这并不惊奇。我那些试图建造量子计算机的同行们与退相干展开了胶着的持久战。通常，他们会把设备隔离在冰冷黑暗的真空中，让它们的状态保密，不为外界所知。但你的大脑呢？它是一团温暖潮湿的物质，其中有无数的连接，每个部分都不是孤立的。然而，有些人对我的论文提出了异议，让我经历了人生第一场科学论战。斯图尔特·哈默罗夫（Stuart Hameroff）是一位量子意识（quantum-consciousness）理论的先驱。他说，我为量子意识研究者们带来了很多问题，就像在这个领域“扔下了一颗臭气弹”。他问我：“你是为传统科学卖命的职业杀手吗？”
我觉得这是一段略带讽刺的经历，因为通常情况下，我才是站在传统科学对立面的人，我骨子里有一种不走寻常路的倾向。并且，我做这些计算的目的不是为了得到某个特定的结果，只是想寻找答案而已。实际上，如果我得出相反的结论，说不定我会更加高兴，因为这意味着我自己就拥有一台量子计算机，这该多酷啊！后来，哈默罗夫与两名共同作者一起，发表了一篇批评我论文的文章。我认为这篇文章中有很多纰漏[36]，不禁感慨，有时候科学家会太执着于某一个观点，对其抱有近乎宗教式的狂热，以至于任何板上钉钉的事实都无法说服他们。我怀疑，“量子意识”这个令人印象深刻的术语可能只是在为这句话找借口：“意识很神秘，量子力学也很神秘，所以，它们一定有关联。”
2009年，我终于见到了传说中的斯图尔特·哈默罗夫，发现他竟然是一个天性开朗友善的人。我们还在纽约一起共进了午餐。有趣的是，在聊天过程中，我们却找不到双方在计算过程或测量结果上的分歧，于是我们礼貌地达成共识：双方意见相左之处只在于对意识的定义不同。
支配我们宇宙的主体、客体与环境
我必须承认一件事：我的大脑退相干计算只是一个借口，并不是我撰写那篇论文的真实目的。当时，我对自己的一个想法感到十分兴奋，很想将它公布于世，却发现它可能会被认为太过哲学化，而被学术期刊拒绝发表。所以，我想出了一个好办法，我把它叫作我的“特洛伊木马战略”：把意欲逃过审稿人眼睛的哲学部分隐藏在长篇累牍、令人望而却步的数学公式里。好笑的是，我这个战略既卓有成效，又收效甚微。卓有成效的是，它确实躲过了审稿人的眼睛，最终得以发表；但同时，人们却只注意到了我用来掩饰真实目的的面具，也就是——大脑不是量子计算机。
那么，我的隐藏信息究竟是什么呢？它是一种用于思考量子实在的统一方法（见图7-8）。费曼曾强调说，量子力学将我们的宇宙分裂为两个部分：所有被研究的对象，以及余下的一切（称为“环境”）。然而，我却觉得这拼图好像缺了一块，即你的思维。正如埃弗雷特的研究所告诉我们的那样，要理解观察的过程，就需要将我们宇宙中的第三个部分纳入考虑，即你作为观察者的思维状态，也即图7-8中的“主体”。
图7-8 世界可以被分为三部分：一是你主观感知的部分（主体），二是被研究的对象（客体），以及剩下的一切（环境）。正如图中所示，这三个部分的相互作用会造成性质不同的效应，可以用这幅统一的示意图来表示，其中包括了退相干和表观波函数坍缩。
如果你不是物理学家，当你看到物理学界几乎不谈论思维时，可能会觉得有点可笑，因为量子力学里有许多与“观察”有关的怪事。毕竟，将观察和思维割裂开，就像讨论近视却半句不提眼睛一样。我想，原因可能在于我们并不理解意识究竟是如何运作的，所以大多数物理学家在提到它时会感觉不自在，害怕自己被别人认为太哲学化。我个人认为，不理解某件事并不意味着我们可以忽略它，我们依然可以期待正确的答案。
在下一章中，我会讨论更多与意识有关的事。不过，要理解图7-8，并不需要你理解思维运作的细节，这一点关系也没有——在这里，我只会作出一个假设，即你的主观意识源自大脑中粒子的复杂运动，这些粒子与其他所有粒子一样，都遵循薛定谔方程。
在我那篇“特洛伊木马”论文里，我将薛定谔方程拆解成了几个部分——其中有3个部分分别支配我们宇宙的3个部分（主体、客体和环境），其他的则支配粒子之间的相互作用。接下来，我分析了方程中不同部分各自的效果，结果发现，一部分给出了教科书上的内容，一部分给出了埃弗雷特的多世界诠释，一部分给出了迪特尔·泽的退相干，还有一部分给出了一些新鲜的东西。标准的教科书通常都只聚焦在薛定谔方程支配客体（比如，一颗原子）的那部分。还原论者认为，即使抛开物体所在的那个更大的整体，所有的物体本身都是可分析的。主体和客体的相互作用为埃弗雷特带来了平行宇宙理论，将量子叠加态从客体扩散到主体，也就是你自己。环境和客体的相互作用带来了退相干，解释了为何一张红桃Q扑克牌不会出现奇怪的量子行为，比如同时处在两个位置什么的。
想在实践中消除退相干基本上是不可能的，然而，就算你想出一个真可以消除退相干的思想实验（比如，在一个黑暗冰冷的真空房间里重复做量子扑克牌实验，并且，每次你的眼睛看见扑克牌时，只有一个光子撞击到扑克牌），也不会有太大区别。由于扑克牌同时处在两个地方，那么那颗光子也一样，于是，当你看着扑克牌时，你的视神经中至少有一个神经元会进入放电与休眠的量子叠加态。我们在前文提到，这个叠加态会在大约10-20秒后退相干。
然而，这种退相干依然无法完全解释为何你不能感知到任何量子怪诞性，因为你的思维过程（主体内部的动态过程）完全可以用你熟悉的思维状态创造出怪诞的叠加态。幸运的是，图7-8中的第三个相互作用给出了答案，那就是，主体和环境的相互作用。神经元退相干的速度远远超过了它们处理信息的速度，这个事实意味着，假如意识真的与你大脑中复杂的神经放电模式有关，那大脑中超快的退相干也会让你感知不到任何怪诞的叠加态。
主体和环境的相互作用还解答了另一个问题。楚雷克后续对退相干的研究又发现了许多我没有发现的东西。他发现，退相干还为我们做了一件重要的事。它不仅解释了为什么宏观物体不会同时出现在两个地方，还解释了为什么惯常的状态（比如只能位于一个特定的地方）如此特别。对宏观物体来说，在量子力学所允许的那么多种状态中，为什么单单只出现了一个状态呢？这是因为，这些惯常状态对退相干来说是最强健的，所以它们幸存了下来。这就好比，为什么沙漠中总是长有仙人掌，却没有玫瑰花呢，这是因为仙人掌是面对干旱的环境时最强健的植物。
后来，我和我父亲一起就这个话题写了一篇论文。正是因为这篇论文，楚雷克邀请我去洛斯阿拉莫斯演讲。
现在，运用一些精密的实验室设备（比如真空泵和极端的冷却装置）可以减弱一些退相干效应，但我们却永远无法关掉我们神经元中的退相干。我们不知道思维是如何运作的，但是我们清楚地知道，所有从外界到达思维的信息，最初都必须经过感觉器官里的神经元，比如眼睛里的视神经元和耳朵里的耳蜗神经元等，它们的退相干速度都相当快，快到简直不可思议。所以，当我们从主观上察觉到外部世界时，所有事物都已经退相干了，以保证我们永远无法感知到量子怪诞性，这也解释了我们为何只能感知到那些强健的惯常状态。
物理学中存在许多争议，但只有很少一部分话题能宏大到让其他话题相形见绌，并能延续数代人。很显然，量子力学的大争论就是其中之一。还有一个争议是热力学第二定律。根据这个定律，一个孤立系统的熵从不降低。熵是一个定量的度量值，表示我们对一个系统的信息缺乏程度——本质上说，它指的是我们要确定一个系统的量子态所需要的信息量比特数。
一方面，一些科学家将这个定律提升到了一个近乎神圣的地位。伟大的天体物理学家亚瑟·爱丁顿爵士（Sir Arthur Eddington）曾说：“我想，熵增定律是自然界最至高无上的规律。如果有人向你指出，你最爱的宇宙理论与麦克斯韦方程不一致，这对麦克斯韦方程来说可不是一件好事。如果有人发现你的理论与实验观测相悖，没关系，那些实验物理学家们干活儿笨手笨脚，时常会出错。但是，如果你的理论与热力学第二定律相违背，那我只能说，你一点儿希望也没有了。让你的理论怀揣着最深的谦卑退下吧。”
另一方面，包括麦克斯韦、约西亚·吉布斯（Josiah Gibbs）、约翰·洛施密特（Johann Loschmidt）在内的物理学巨擘们却严厉地拒绝热力学第二定律。这个争议是否已经被圆满解决？至今尚无定论。
在我看来，量子力学和热力学第二定律这两大争论实际上是联系在一起的，只要你抛弃波函数坍缩，转而采用标准量子力学中对熵的定义（由约翰·冯·诺依曼提出），并把实在的三个部分（主体、客体和环境）都考虑在内，就能一箭双雕，成功解决这两个问题。
如图7-8总结的那样，测量和退相干分别对应着客体与主体和环境的相互作用。尽管测量和退相干的过程可能看似不同，但有趣的是，从熵的角度看，它们却有很多共同之处，比如在二者中，我们都缺乏客体的信息，而这正是物理学中对熵的定义。
如果客体不与任何物体发生相互作用，它的熵就会保持不变。也就是说，如果你知道它现在的状态，你就能预测它1秒钟后的状态，因为你可以用薛定谔方程通过初始状态计算出它1秒钟后的状态。
如果客体与你发生相互作用，你通常会获得更多关于它的信息，所以它的熵降低了。比如，图7-1中，当你睁开眼时，会出现两个版本的你，每一个你都会看见一个不同的结果，但是你们都知道各自的平行宇宙中扑克牌倒下的方向，所以你们都额外获得了一点关于扑克牌的信息。
然而，如果客体与环境发生相互作用，你通常会失去一部分关于它的信息，所以它的熵增加了。如果我儿子菲利普起初知道他的宠物小精灵卡片放在什么地方，那么，当我的另一个儿子亚历山大把卡片搞乱以后，菲利普所知的关于卡片的信息就减少了。同样，如果你知道扑克牌同时处在两个位置的叠加态，假如有人或有个光子发现了扑克牌确切的位置却没有告知你，那么你就失去了一点信息。因为最开始你知道量子叠加态的信息，但现在它位于两个状态中的其中一个状态，而你却并不知道是哪一个状态。
总结而言，我是这样通俗地理解这个问题的：对于一个客体的熵，你看它时，它的熵减；你不看它时，它的熵增。退相干只是简单地度量了你对结果的无知。更严格一点，我们可以把热力学第二定律稍稍修改一下，改成下面这样：
●客体的熵不可能减少，除非它与主体发生相互作用。
●客体的熵不可能增加，除非它与环境发生相互作用。
这个定律的传统版本忽略了客体的作用。当我发表一篇与之有关的技术论文时[37]，我在其中论述了上述第二个部分的数学证明（也就是退相干如何使熵增加），但我却没能找到第一个部分的严格证明方法，尽管我的计算机模拟程序透露出它是真的。
后来发生了一件奇妙的事，再一次提醒了我在MIT工作是多么幸运的事——赫兰特·格瑞比安（Hrant Gharibyan），一名20岁的美国本科生问我有没有什么好玩的问题，可以让他研究一下，于是我们组成团队开始研究这个问题。他在这个问题上倾注了极大的热情，像吃爆米花一样狼吞虎咽地读了大量数学书籍，掌握了许多物理学家中鲜有人知的数学工具，如Schur积（Schur products）和频谱优化（spectral majorization）等，我也只有从我的数学家父亲那里听说过这些概念。然后，有一天，当我见到赫兰特时，他露出了胜利的微笑——他真的解决了这个问题！现在，我们的论证过程已经发表。
扫码获取作者和赫兰特的这篇论文。
量子自杀奇案
我总感觉，世界上有两种物理学家——巨擘和凡人。巨擘指的是那些高高在上的历史人物，比如牛顿、爱因斯坦、薛定谔和费曼，他们仿佛都具有超自然的力量，身边围绕着数不清的传说和神话。而凡人则是我生活中经常会遇到的物理学家们，尽管他们都很聪明，但显然都只是你我这样的普通人——直到约翰·惠勒出现（见图7-9）。
图7-9 我记忆中的约翰·惠勒（照片拍摄于2004年，他手里捧着一本为庆祝他90岁生日而出版的书，我则帮忙组织了生日庆典会）；接下来是他的研究生理查德·费曼（拍摄于约1943年）、休·埃弗雷特（拍摄于约1957年）和沃依切赫·楚雷克（拍摄于2007年，就在那个冰岛的瀑布旁边）。（图片来源：帕梅拉·康特拉斯科[Pamela Bond Contractor]、马克·埃弗雷特、安东尼·阿吉雷）
1996年，我遇见了惠勒，让我感到醍醐灌顶。在哥本哈根的一间自助餐厅，84岁高龄的他就坐在那里，我们都在那里吃会议午餐。对我来说，惠勒是“最后的巨擘”。他曾经与尼尔斯·玻尔一起研究核物理学。惠勒发明了“黑洞”这个词，他是研究时空泡沫的先驱。费曼和埃弗雷特都是他的研究生。他那野马脱缰般的思想和热情让他成了我的物理学超级英雄。而当时，他就那么坐在那里吃饭，竟然像个普通的凡人！我感到，我必须上前去向他介绍我自己，否则我将永远不会原谅自己，并后悔一辈子。但我非常紧张，越靠近他的桌子，我就越是紧张得说不出话来。过去，我曾经在“学术界食物链”上遭到过前人的鄙视——有两位教授在我话说到一半时就转身走掉了，而他们也只是凡人而已。而接下来发生的事，让我目瞪口呆——我只是一个毫无经验的博士后，一个完完全全的小人物，而惠勒竟然向我报以热情的微笑，并邀请我和他一起共进午餐！他听说我对量子力学感兴趣之后，告诉了我一些他关于存在的新想法，还送给我一些他近期笔记的复印本。他一点没有居高临下的架子，和我说话的方式就像我和他是平等的一样，尽管事实上我们根本不平等。
两个星期之后，我甚至还收到了惠勒发来的电子邮件——巨擘发来的邮件！
在哥本哈根时，与你的谈话十分愉悦，也很鼓舞人心，因为我相信你和我拥有同样的信念，都相信在量子力学的背后，还隐藏着某些深邃而又奇妙、但尚未被发现的原理。这就像爱因斯坦伟大的几何观投下了突如其来的光芒，令牛顿定律黯然失色，并动摇了它的权威性和普适性一样。一定还有一些同样具有颠覆性的未知理论，正等待着人们去发现。
接着，惠勒鼓励我去普林斯顿大学，并在信里写道：“我希望每天都能和你探讨问题。”当时，我正在几个博士后机会之间犹豫不决——我怎么可能拒绝普林斯顿大学的邀请呢？自从我搬到普林斯顿大学之后，我就开始定期去拜访他，并逐渐更多地了解了他。惠勒和他妻子还参加了我的乔迁聚会。他甚至还签署了我的新泽西州结婚证——在我的世界里，这感觉就像是上帝成了我的证婚人一样。
在办公室里，惠勒常会被打扰，所以他聊天时喜欢“转圈”，也就是沿着普林斯顿大学物理系大楼第三层上能俯瞰内部庭院的环形走廊散步。他的讲述让历史故事在我眼前变得栩栩如生，比如，他向我描绘了他看见第一颗氢弹爆炸时的感受。惠勒还让我与本领域的奠基者们之间产生了更加个人化的联系，而这些奠基者在他面前不过是凡夫俗子而已。
我给惠勒看了我最受争议的疯狂论文。在那篇论文中，我探讨了数学宇宙的理念，这也正是本书讨论的内容。结果，他说他很喜欢。然而，尽管审稿人持积极态度，但学术期刊仍然拒绝发表这篇论文，因为编辑认为“推测程度太高”。惠勒鼓励我对拒稿进行申诉，结果竟然奏效了。不久以后，我们为《科学美国人》杂志合写了一篇文章，名为《量子之谜的100年》（100 Years of Quantum Mysteries）。在文中，我们尝试用平实的语言来解释量子平行宇宙和退相干现象。我问他是否真的相信量子平行宇宙的存在，他回答道：“我会在星期一、星期三和星期五找点儿时间来相信它们的存在。”
我平生很少哭泣，但是在2008年，当我得知约翰·惠勒去世的消息时，我忍不住流下了眼泪。我曾深受惠勒的感动和启发。在他的追悼会上，有许多人都和我感同身受。会后自由分享时，我讲述了他对我的意义。我说，如果用一个词来概括他对我的影响，那就是“鼓舞人心”。一位如此杰出和知名的人物，却愿意放下身段鼓励他人，这是怎样的一种心胸。正如另一位吊唁者所说的那样：“他以同样的尊严对待所有人。”这个描述真的很恰当。他鼓励我跟随自己的内心，探索我真心热爱的领域。而惠勒“鼓舞人心”的最佳证明，就是这满屋子的人，他们都是很棒的人，从五湖四海赶来，只因他们都曾获得过他的鼓励。而这些人，现在都载入了名副其实的“物理学名人录”。
我还记得一天下午，我骑自行车载惠勒回他位于草甸湖（Meadow Lake）老年公寓的家时，我很兴奋地向他提及我最近冒出来的一个疯狂想法，我称之为“量子自杀”（Quantum Suicide）。我花了很多时间来思考，到底有没有实验能证明埃弗雷特的平行宇宙是真的。最后，我终于想出了一个办法。
出人意料的是，这个实验只需要一些极易获得的低科技设备。当然，它还需要你来充当一个乐于奉献的实验员，因为它相当于一个快速重复版本的薛定谔的猫实验——只不过把猫换成你。你所需的仪器叫作“量子机关枪”，它会根据量子测量的结果来发射子弹；具体地说，每次枪的扳机被触发，它就会让一个粒子处于叠加态，也就是同时处于两个状态（比如，同时顺时针旋转或逆时针旋转）。接下来，测量这个粒子。如果粒子处在第一个状态，机关枪发射子弹；如果粒子处在第二个状态，枪就只会发出一声清脆的咔哒声，而不发射子弹。触发的机制不是我们讨论的重点，所以我们不展开讲[38]，我们只假设说，量子测量和实际开枪之间的时间极其短，短于人类感知的速度，比如0.01秒。
