本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，僅反映作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
“關於宇宙最不可理解的事情是它是可理解的，”阿爾伯特·愛因斯坦曾說過這句名言。然而，如今，宇宙是否可理解，甚至是否是獨一無二的，遠未達成共識。基礎物理學正面臨一場危機，這場危機與經常被提及的兩個流行概念有關，這兩個概念可以用“多重宇宙”和“醜陋宇宙”這兩個流行詞語來概括。
多重宇宙的支持者主張，可能存在無數個其他宇宙，其中一些宇宙具有完全不同的物理學和空間維度數量；而你、我和其他一切事物可能以無數副本的形式存在。“多重宇宙可能是物理學中最危險的想法，”南非宇宙學家喬治·埃利斯認為。
自科學的早期以來，發現不太可能的巧合就會促使人們去解釋，促使人們去尋找其背後的隱藏原因。一個現代的例子：物理定律似乎被精細調整，以允許能夠發現這些定律的智慧生物的存在——這種巧合需要解釋。
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隨著多重宇宙的出現，這種情況發生了變化。無論巧合顯得多麼不可能，在構成多重宇宙的無數宇宙中，它都會在某個地方存在。如果巧合似乎有利於複雜結構、生命或意識的出現，那麼我們甚至不應該驚訝於發現自己身處一個允許我們首先存在的宇宙中。但是，這種“人擇推理”反過來意味著我們無法再預測任何事情。對於歐洲核子研究中心 (CERN) 尋找新粒子的物理學家來說，沒有明顯的指導原則。並且在宇宙的偶然屬性背後沒有基本定律可以被發現。
另一個挑戰——“醜陋宇宙”——截然不同，但同樣危險。根據理論物理學家薩賓娜·霍森菲爾德的說法，現代物理學已被其對“美”的偏見所誤導，產生了數學上優雅的、投機性的幻想，而沒有任何與實驗的聯絡。她認為，物理學已經“迷失在數學中”。但是，如果我們不能再依賴這些概念，那麼理解和僅僅擬合實驗資料之間的區別將會變得模糊。
這兩種挑戰都有一定的道理。“自然法則為什麼要關心我發現什麼是美的？”霍森菲爾德理直氣壯地問道，答案是：它們不應該。當然，如果自然是經典的，那麼它可能是複雜的、混亂的和不可理解的。但自然並非如此。自然是量子力學的。雖然經典物理學是我們日常生活的科學，在日常生活中物體是可分離的、獨立的個體，但量子力學是不同的。例如，您的汽車的狀況與您妻子的連衣裙的顏色無關。然而，在量子力學中，曾經發生過因果接觸的事物仍然是相關的，愛因斯坦將其描述為“幽靈般的超距作用”。這種相關性構成了結構，而結構就是美。
相比之下，多重宇宙似乎難以否認。量子力學尤其似乎對它著迷。將單個電子射向帶有兩條狹縫的螢幕會在屏幕後面的探測器上產生干涉圖案。在每種情況下，電子似乎每次都穿過了兩條狹縫。
量子物理學是核爆炸、智慧手機和粒子碰撞背後的科學——並且以其怪異性而臭名昭著，例如薛定諤的貓處於半死半活的邊緣狀態。在量子力學中，不同的現實（例如“粒子在這裡”和“粒子在那裡”或“貓活著”和“貓死了”）可以像湖面上的波浪一樣疊加。粒子可以處於“一半在這裡一半在那裡”的狀態。這被稱為“疊加”，對於粒子或波浪，它會產生干涉圖案。
量子力學最初被設計用來描述微觀世界，近年來已被證明可以控制越來越大的物體——如果它們與環境充分隔離。然而，不知何故，我們的日常生活似乎受到了保護，免受過多的量子怪異現象的影響。沒有人見過不死貓，而且每當您測量粒子的位置時，您都會得到明確的結果。
一種直接的解釋假設所有可能的選項都實現了，儘管是在不同的、平行的現實或“埃弗雷特分支”中——以 休·埃弗雷特 的名字命名，他首先倡導了這種被稱為量子力學的“多世界解釋”的觀點。如果您關注馬克斯·泰格馬克在 2003 年 5 月的《大眾科學》專題報道，埃弗雷特的“多世界”實際上是多重宇宙的一個例子——四分之一。其他的兩個不太有趣，因為一個並不是真正的多重宇宙，而是我們自己宇宙中的不同區域，另一個是基於高度投機性的觀點，即物質只不過是數學。剩下的多重宇宙是“弦理論景觀”，我們稍後將返回討論。
透過訴諸量子力學來證明物理學的美麗是合理的，似乎我們犧牲了宇宙的獨特性。但這個結論源於膚淺的考慮。在這個圖景中通常被忽視的是，埃弗雷特的多重宇宙不是基本的。正如南加州大學哲學家大衛·華萊士所堅持的那樣，它只是表面上的或“湧現的”。
要理解這一點，需要理解量子測量和“幽靈般的超距作用”背後的原理。愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基和內森尼爾·羅森在 1935 年指出，“糾纏”的概念對於這兩種現象都至關重要。在量子力學中，兩個自旋加起來為零的糾纏系統可以由具有相反方向的自旋對的疊加組成，同時絕對不確定單個自旋指向哪個方向。糾纏是自然將各個部分整合成一個整體的方式；組成部分的個體屬性不再存在，以利於強相關的總系統。
每當測量量子系統或將其耦合到其環境時，糾纏都起著至關重要的作用。量子系統、觀察者和宇宙的其餘部分相互交織在一起。從區域性觀察者的角度來看，資訊被分散到未知的環境中，並且由 H. 迪特爾·澤在 1970 年首次發現的稱為“退相干”的過程開始發揮作用。退相干是經典性的代理。它描述了量子系統與周圍環境相互作用時量子特性的喪失。退相干的作用就像開啟量子物理學平行現實之間的拉鍊。從觀察者的角度來看，宇宙和她自己似乎“分裂”成獨立的埃弗雷特分支。觀察者觀察到一隻活貓或一隻死貓，但沒有介於兩者之間的任何東西。世界對她來說看起來是經典的，而從全球的角度來看，它仍然是量子力學的。事實上，在這種觀點中，整個宇宙都是一個量子物體。
這就是羅格斯大學哲學家喬納森·沙弗倡導的“量子單一體論”登場的地方。沙弗一直在思考宇宙是由什麼構成的這個問題。根據量子單一體論，現實的基本層面不是由粒子或弦組成的，而是由宇宙本身組成的——理解為不是構成它的事物的總和，而是一個單一的、糾纏的量子態。
物理學家兼哲學家卡爾·弗里德里希·馮·魏茨澤克也曾更早地表達過類似的觀點。認真對待量子力學預示著一個獨特的、單一的量子現實，它是多重宇宙的基礎。宇宙微波背景的均勻性和微小的溫度波動表明，我們可觀測的宇宙可以追溯到一個單一的量子態，通常被認為是為原始暴脹提供燃料的量子場，這些都支援了這一觀點。
此外，這個結論還擴充套件到其他的多重宇宙概念，例如“弦理論景觀”的各個山谷中不同的物理定律，或者在永恆宇宙暴脹中湧現的其他“嬰兒宇宙”。由於糾纏是普遍存在的，因此它不會在我們宇宙區域的邊界處停止。無論你擁有什麼樣的多重宇宙，當你採用量子單一體論時，它們都是一個完整整體的一部分。在多重宇宙中的多個宇宙之下，始終存在一個更基本的現實層面，而那個層面是獨一無二的。
量子單一體論和埃弗雷特的多世界都是認真對待量子力學的預測。這些觀點之間的區別僅在於視角。從區域性觀察者的角度來看，看起來像是“多世界”的東西，從全球的角度來看（例如，能夠從外部觀察整個宇宙的人的角度來看），實際上是一個單一的、獨一無二的宇宙。
換句話說，多世界對於只掌握有限宇宙資訊的觀察者來說，看起來就像量子單一體論。事實上，埃弗雷特最初的動機是以“通用波函式”的形式發展對整個宇宙的量子描述。這就像您透過帶格子的窗戶向外看。自然看起來被分成不同的碎片，但這只是您的視角的人為產物。
單一體論和多世界都可以避免，但只有當人們要麼改變數子力學的形式體系——通常以與愛因斯坦的狹義相對論相沖突的方式——要麼將量子力學理解為關於知識的理論而不是關於自然的理論時：這是一種人文概念，而不是科學概念。
就目前而言，量子單一體論應被視為現代物理學中的一個關鍵概念。它解釋了為什麼“美”，被理解為自然界中看似獨立的領域之間的結構、相關性和對稱性，不是“構思不當的審美理想”，而是自然界從單一量子態下降的結果。此外，量子單一體論還消除了多重宇宙的困擾，因為它預測的相關性不僅在特定的嬰兒宇宙中實現，而且在多重宇宙的任何單個分支中也實現——例如愛因斯坦-波多爾斯基-羅森態中糾纏自旋的相反方向。
最後，量子單一體論緩解了實驗基礎物理學中的危機，實驗基礎物理學依賴於越來越大的對撞機來研究越來越小的自然組成部分，僅僅是因為最小的組成部分不是現實的基本層面。研究量子力學的基礎、量子場論的新領域或宇宙學中最大的結構可能被證明同樣有用。
這並不意味著每一個觀察到的巧合都指向物理學的基礎，或者任何美的概念都應該在自然界中實現——但這告訴我們不應該停止尋求。因此，量子單一體論有可能拯救科學的靈魂：即存在一個獨特的、可理解的和基本的現實的信念。