摘要
艾莉莎·内伊（Alyssa Ney）在其2025年的论文《多世界量子力学的局域性论证》中，将多世界诠释（MWI）作为唯一满足局域性的理论加以辩护。她认为，通过一种“全局分叉”机制——即一次局域测量能瞬间分裂所有系统——可以避免超距作用，因为在遥远位置引发的仅仅是“剑桥变化”（Cambridge changes）。本文旨在批判性地审视内伊对EPR-Bohm思想实验中观察者（鲍勃）和粒子（b）分叉过程的分析，并指出两者均存在问题。内伊声称鲍勃和粒子b都经历了全局分叉，且b的分叉是一种剑桥变化。然而，我将论证，鲍勃实际上并未分叉，因为这会破坏玻恩定则、限制对叠加态的测量，并暗示超光速影响的存在。另一方面，粒子b确实发生了分叉，但并非剑桥变化，因为它的状态相对于爱丽丝变得确定，这反映了一种真实的物理改变。为解决这些问题，我简要提出了一种针对粒子b的“非定域分叉”模型。总而言之，内伊的模型在确保MWI的经验充分性和与相对论的兼容性方面尚有不足，这促使我们去探索一种更精炼的分叉本体论。
引言：一个分裂的宇宙之谜
大家好，我是高山。今天，我想邀请大家和我一起踏上一段探索量子世界最深奥、也最令人着迷的旅程。我们将要探讨的是由休·埃弗雷特三世（Hugh Everett III）在1957年首次提出的“多世界诠释”（MWI）。这个理论为量子力学中的“测量问题”提供了一个惊人而优雅的解决方案：宇宙从不“坍缩”，每一次量子测量，所有可能的结果都会真实发生，只不过是在各自独立的世界里。
这个“分叉”的过程，就像一条河流在遇到巨石时分岔成数条支流。但这引出了一系列深刻的问题：宇宙是在一瞬间“全局”分裂，还是像涟漪一样“局域”地扩散？对于像EPR实验中那样纠缠在一起、相隔遥远的粒子，分叉又该如何处理它们之间幽灵般的瞬时关联？最关键的是，多世界诠释能否与爱因斯坦的狭义相对论和谐共存，真正杜绝“超距作用”的魅影？
这些问题，直接关系到MWI作为一种完备理论的合理性。最近，艾莉莎·内伊（Alyssa Ney）提出，MWI的真正优势恰恰在于其“局域性”，而这正是通过一种“全局分叉”机制实现的。她认为，当爱丽丝测量一个纠缠粒子对中的一个时，整个宇宙——包括遥远的鲍勃和他的粒子——都会瞬间分裂。但她强调，远处的系统所经历的仅仅是“剑桥变化”，一种关系上的、非物理的改变，因此没有信息或能量超光速传播。这听起来是不是很巧妙？
然而，经过深入思考，我认为内伊的这幅图景虽然极具吸引力，却隐藏着一些棘手的问题。在接下来的内容中，我将以第一人称的视角，带领大家一步步剖析内伊的论证，并通过一系列交互式动画，直观地展示其中的关键概念和我认为存在的问题。让我们一起潜入这个由无数个平行世界构成的、壮丽而又神秘的量子多重宇宙吧。
核心舞台：EPR-Bohm思想实验
在我们深入探讨之前，必须先搭建好我们的思想实验舞台。这个舞台就是著名的EPR-Bohm实验，它是检验量子非定域性的试金石。想象一下，我们有一个源，它不断产生自旋纠缠的粒子对（我们称之为粒子a和粒子b）。它们处于一个特殊的“单态”中，总自旋为零。
这个状态可以用一个简单的数学公式表示： \( \psi = \frac{1}{\sqrt{2}}(|\uparrow\rangle_a|\downarrow\rangle_b - |\downarrow\rangle_a|\uparrow\rangle_b) \)。这个公式的奇妙之处在于，它描述了一种完美的“反关联”。如果我们测量粒子a的自旋是“上”（\(\uparrow\))，那么我们能瞬间100%确定粒子b的自旋必然是“下”（\(\downarrow\))，反之亦然。无论它们相隔多远——哪怕一个在地球，一个在仙女座星系。
现在，我们将粒子a发送给爱丽丝，粒子b发送给远方的鲍勃。接下来，爱丽丝将对她的粒子进行测量。就在她测量的瞬间，整个宇宙的命运，或者说“多个宇宙”的命运，将被决定。下面的动画模拟了这个过程。
动画1：纠缠粒子的旅程
生活化类比：想象一对“心灵感应”的手套，你把左手手套放进一个盒子，右手手套放进另一个，然后随机寄给爱丽丝和鲍勃。在他们打开盒子之前，没人知道谁拿到了哪只。但只要爱丽丝打开盒子发现是左手手套，她立刻就知道鲍勃拿的肯定是右手手套。
内伊的全局分叉：一个优雅但激进的方案
内伊的核心论点是：当爱丽丝测量粒子a的z方向自旋时，整个宇宙会瞬间分裂成两个平行的世界。这两个世界是全局性的，覆盖了从爱丽丝的实验室到鲍勃的实验室，乃至宇宙的每一个角落。
- 世界1（我们称之为“上-下”世界）：在这个世界里，爱丽丝测得粒子a的自旋为“上”（\(|\uparrow_z\rangle_a\)）。因此，粒子b的状态瞬间确定为“下”（\(|\downarrow_z\rangle_b\)）。
- 世界2（我们称之为“下-上”世界）：在这个世界里，爱丽丝测得粒子a的自旋为“下”（\(|\downarrow_z\rangle_a\)）。相应地，粒子b的状态瞬间确定为“上”（\(|\uparrow_z\rangle_b\)）。
内伊认为，这个过程是完全“局域”的，因为它没有违反相对论。为什么呢？她引入了“剑桥变化”这个哲学概念。她认为，远在天边的粒子b和观察者鲍勃所经历的变化，仅仅是一种关系上的改变，而非内在物理性质的改变。
“剑桥变化”指的是一个对象属性的改变仅仅是因为它与其他对象的关系发生了变化。一个经典的例子是：苏格拉底的身高比柏拉图高。当柏拉图长大后，这个命题可能不再为真。苏格拉底“从更高”变成了“不再更高”，但他的内在身高（物理属性）并未改变。内伊认为，粒子b的状态变化就是这种类型。
根据内伊的理论，粒子b的局域物理性质（由其约化密度矩阵 \(\rho_b\) 描述）在爱丽丝测量前后是完全不变的。这个矩阵始终是一个最大混合态： \( \rho_b = \frac{1}{2}(|\uparrow_z\rangle_b\langle\uparrow_z|_b + |\downarrow_z\rangle_b\langle\downarrow_z|_b) \)。因此，没有物理信息超光速传递，局域性得以保全。
动画2：内伊的全局分叉模型
这个动画展示了内伊的观点。当爱丽丝的测量发生时，注意观察整个“宇宙”是如何瞬间分裂成两个独立的、平行的分支的。在每个分支中，粒子b的状态都变得确定，但从“外部”看，它的整体统计性质并未改变。
状态: 等待爱丽丝测量...
对内伊模型的批判（一）：鲍勃真的分叉了吗？
内伊的理论中最具争议的一点，是她明确指出，观察者鲍勃也随着爱丽丝的测量而瞬间分裂成了两个版本：鲍勃+（在爱丽丝测得“上”的世界里）和鲍勃-（在爱丽丝测得“下”的世界里）。我認為这个观点会带来三个严重的问题，足以动摇MWI的根基。
3.1.1 概率的丧失与玻恩定则的危机
量子力学的核心预测能力来自玻恩定则，它告诉我们如何根据波函数的振幅计算测量结果的概率。在EPR实验中，因为初始态 \(|\psi\rangle\) 中两个分支的振幅的平方都是 \((\frac{1}{\sqrt{2}})^2 = \frac{1}{2}\)，所以鲍勃测量到“上”或“下”的概率各为50%。
但是，在内伊的模型中，当爱丽丝测量后，鲍勃+发现自己身处的世界里，粒子b的状态是确定的 \(|\downarrow_z\rangle_b\)。对他而言，测量结果是100%确定的，不再有概率可言。同样，鲍勃-也面临一个100%确定的结果。那么，最初的50%概率从何而来？如果鲍勃在测量前就被“分配”到了一个结果确定的世界，那么概率就失去了物理基础。这严重削弱了MWI解释量子概率的能力。
3.1.2 对叠加态测量的限制
量子力学允许我们测量任意的叠加态，例如，我们可以设计一个仪器来直接验证粒子a和b是否处于那个精巧的纠缠态 \(|\psi\rangle\) 中。这种测量依赖于波函数中不同部分之间的“干涉”效应。
然而，在内伊的模型中，一旦爱丽丝测量完毕，鲍勃就被抛入了一个只包含纠缠态一部分的世界中（例如，只剩下 \(|\uparrow_z\rangle_a|\downarrow_z\rangle_b\) 这一项）。他失去了接触完整叠加态的机会，因为另一部分存在于一个与他完全无法互通的平行世界里。这意味着，鲍勃永远无法通过实验验证完整的纠缠。这就像试图通过只听一个声道的录音来欣赏立体声音乐一样，是不完整的。这给MWI的经验完备性打上了一个问号。
3.1.3 无法回避的超光速影响
内伊声称全局分叉是局域的，因为它只引起了“剑桥变化”。但我认为，鲍勃的分裂是一种实实在在的物理变化。在爱丽丝测量前，鲍勃是一个单一的实体，他的状态可以用一个纯态 \(|ready\rangle_B\) 来描述。测量后，他变成了两个实体（鲍勃+和鲍勃-）的混合体，其整体状态变成了一个混合态 \(\rho_B^{post} = \frac{1}{2}(|ready\rangle_{B+}\langle ready|_{B+} + |ready\rangle_{B-}\langle ready|_{B-})\)。
在MWI中，波函数是实在的，从纯态到混合态的转变是一种真实的物理过程。这个过程发生在鲍勃身上，而他与爱丽丝的测量地点是类空分离的，并且他与纠缠粒子之间没有直接的物理相互作用。那么，是什么导致了他状态的改变？唯一的解释似乎是来自爱丽丝处的一种超光速影响。这恰恰是内伊试图避免的“超距作用”。
动画3：幽灵般的瞬时分裂
这个动画旨在突出鲍勃状态变化的瞬时性。当爱丽丝（左侧）按下测量按钮时，请注意观察远方的鲍勃（右侧）是如何在没有任何局域信号到达的情况下，瞬间从一个实体分裂成两个的。这直观地展示了为何我认为这构成了一种超光速影响。
对内伊模型的批判（二）：粒子b的变化仅仅是“关系”改变吗？
现在我们来谈谈粒子b本身。内伊声称，粒子b在分叉后状态变得确定（例如，在某个世界里变成 \(|\downarrow_z\rangle_b\)）是一种剑桥变化，因为它的局域性质（约化密度矩阵 \(\rho_b\)）没变。这个论证非常巧妙，但我认为它忽略了问题的关键。
约化密度矩阵 \(\rho_b\) 是一个对所有可能世界进行“平均”后得到的结果。它确实隐藏了粒子b在特定分支中的状态信息。在一个特定的世界里（比如爱丽丝测得“上”的世界），粒子b的状态不再是混合态，而是一个纯态 \(|\downarrow_z\rangle_b\)。这个从混合到纯粹的转变，直接改变了粒子b的实验行为——从50%概率变成100%确定。这难道不是一种真实的物理变化吗？
更重要的是，内伊的模型存在一个潜在的不一致。粒子a（爱丽丝测量的那个）的约化密度矩阵 \(\rho_a\) 在测量前后也同样保持不变。但我们都同意，粒子a经历了真实的物理过程：它与测量仪器发生了局域相互作用。如果 \(\rho\) 不变可以作为“剑桥变化”的判据，那么我们似乎得出一个荒谬的结论：连粒子a的变化也是非物理的。这显然是错误的。
因此，更合理的看法是，纠缠系统的对称性决定了，如果粒子a的分叉是物理的，那么粒子b在每个分支中获得确定状态的过程也同样是物理的。它是由整个系统非定域的、不可分割的关联性所驱动的，而非简单的关系改变。
动画4：分支内的物理现实
这个动画对比了“外部观察者”（看到的是平均后的混合态）和“内部分支居民”（看到的是确定的纯态）的视角。请注意，虽然整体的统计分布（饼图）保持不变，但在每个分裂出的世界内部，粒子b的状态都从模糊的叠加态“凝固”成了一个确定的状态。
我的提议：一种非定域但自洽的分叉方案
既然内伊的全局分叉模型面临诸多困难，我们是否能找到一个更好的替代方案？我认为答案是肯定的。我在此提出一个“非定域分叉”的初步构想，它旨在保留MWI核心思想的同时，修正其与经验和相对论的冲突。
这个方案的核心很简单：分叉只发生在相互纠缠的系统之间。
- 鲍勃不分叉：当爱丽丝测量粒子a时，只有与a纠缠的粒子b会随之“分叉”。观察者鲍勃，作为一个未与系统纠缠的宏观物体，保持其单一的 \(|ready\rangle_B\) 状态。他不会分裂。
- 粒子b的非定域分叉：粒子b的状态确实在每个世界中变得确定，这是一个真实的、物理的、非定域的变化。但这种非定域性不是“超距作用”，因为它不传递能量或信息。它更像是一种本体论上的“模式划分”，由纠缠态的内在结构所规定。
这个模型的好处是显而易见的：
- 保留了概率：由于鲍勃没有预先分裂，他去测量粒子b时，面对的依然是那个包含了两种可能性的完整波函数。玻恩定则的50%概率得以保留。
- 保留了测量的完整性：鲍勃原则上可以接触到完整的纠缠系统，从而可以进行对叠加态的测量。
- 调和了非定域性与相对论：我们承认粒子b的变化是物理且非定域的，但将其理解为一种不产生因果信号的“关系实在论”的体现。从“外部”（整个多重宇宙）看，没有超光速事件发生；而从“内部”（某个特定分支）看，非定域关联是这个世界的基本法则。
动画5：非定域分叉模型
这个最终的动画展示了我的替代方案。观察当爱丽丝测量时，只有粒子b（蓝点）发生了状态的确定化，而观察者鲍勃（右侧人形）保持单一状态。这是一种更受限、更精确的分叉，只影响必要的部分。
结论：迈向一个更完备的多世界
艾莉莎·内伊的全局分叉模型，无疑是一次勇敢而富有洞察力的尝试，它试图为多世界诠释构建一个完全局域的基础。然而，通过我们的分析可以看到，这个模型在试图解决“超距作用”问题的同时，却不幸地引入了关于概率、测量和因果律的新问题。
我认为，我们不应回避量子力学中根深蒂固的非定域性，而是应该去正确地理解它。我提出的“非定域分叉”模型，正是朝着这个方向努力的一步。它建议分叉是一种更“聪明”的过程，只在必要的地方——即纠缠的系统内部——发生，从而在保留MWI优雅性的同时，更好地与我们所知的物理学定律和实验观测相协调。
多世界诠释的探索之旅远未结束。它的成功最终取决于我们能否建立一个连贯、自洽的分叉本体论。内伊的工作极大地推动了这场讨论，而我的批判和替代方案，希望能为这场激动人心的智力探索，贡献一块有用的垫脚石。我们追求的，是一个既能解释量子奇异性，又能与相对论时空观和谐共存的，真正完备的宇宙图景。
技术附录：公式与细节
1. EPR-Bohm 单态
纠缠的初始态是自旋单态，其数学形式为： \[ \psi = \frac{1}{\sqrt{2}}(|\uparrow\rangle_a|\downarrow\rangle_b - |\downarrow\rangle_a|\uparrow\rangle_b) \] 这里 \(|\uparrow\rangle\) 和 \(|\downarrow\rangle\) 分别代表自旋向上和向下的本征态。下标 a 和 b 指代两个粒子。负号表示了它们自旋的完美反关联性。
2. 爱丽丝测量后的状态
当爱丽丝在z基上测量粒子a后，整个系统的状态（包括爱丽丝的仪器A和处于准备状态的鲍勃B）演变为： \[ \psi' = \frac{1}{\sqrt{2}}(|\uparrow_z\rangle_a |\text{“上”}\rangle_A |\downarrow_z\rangle_b - |\downarrow_z\rangle_a |\text{“下”}\rangle_A |\uparrow_z\rangle_b) \otimes |ready\rangle_B \] 这里 \(|\text{“上”}\rangle_A\) 代表爱丽丝的仪器记录了“上”的结果。根据MWI，这个状态描述了两个已经分离的世界。
3. 约化密度矩阵
对于一个纠缠的复合系统，我们可以通过“迹掉”（tracing out）其他部分来描述子系统的状态。对于EPR对中的粒子b，其约化密度矩阵在爱丽丝测量前后保持不变： \[ \rho_b = \text{Tr}_a(|\psi\rangle\langle\psi|) = \frac{1}{2}(|\uparrow_z\rangle_b\langle\uparrow_z|_b + |\downarrow_z\rangle_b\langle\downarrow_z|_b) \] 这是一个最大混合态，表示我们对b的自旋方向一无所知，向上和向下的概率各为50%。内伊以此为据，论证b没有发生内在物理变化。然而，如正文所述，这个矩阵掩盖了分支内部的物理现实。
4. 从纯态到混合态的转变
对于鲍勃，我认为他的状态经历了从纯态到混合态的物理转变。 测量前，鲍勃的状态是纯态： \[ \rho_B^{\text{pre}} = |ready\rangle_B \langle ready|_B \] 根据内伊的模型，测量后，鲍勃分裂，其整体描述变为混合态： \[ \rho_B^{\text{post}} = \frac{1}{2}(|ready\rangle_{B+}\langle ready|_{B+} + |ready\rangle_{B-}\langle ready|_{B-}) \] 在MWI中，状态是本体论的（ontic），这种转变是真实的物理过程。由于它是在没有局域原因的情况下瞬时发生的，因此构成了超光速影响。