隐藏的宇宙：量子世界与时空涌现_[美]肖恩·卡罗尔_9787571009762

本书首次展现了量子力学的根本难题，彻底改变了我们对空间和时间的看法。作者将量子力学与爱因斯坦的相对论调和起来，着重阐述了多世界理论，揭示了超凡脱俗、让人大开眼界的宇宙真相，也一步步化解了主要的反对意见。一种新认识关于我们在宇宙中的位置以及我们由什么组成正在成为我们新的起点。

前言

不要害怕

不是说非得是个理论物理博士才会对量子力学谈虎色变。但量子力学并不伤人。

也许看起来有点奇怪。量子力学是我们理解微观世界的理论，描述了原子和粒子如何通过自然作用力相互作用，预测实验结果的精确程度也让人叹为观止。当然，也有人说量子力学很费解、很神秘，简直就是魔法。但是专业的物理学家偏生就应该对这样的理论甘之如饴。他们一直都在进行涉及量子现象的复杂计算，还建造了庞大无匹的机器，专门用来检验量子理论预测的结果。我们肯定不是想说，物理学家一直都在弄虚作假吧？

他们没有弄虚作假，但他们也没有对自己做到百分之百地诚实。一方面，量子力学是现代物理学的核心和灵魂。天体物理学家、粒子物理学家、原子物理学家、激光物理学家所有人、任何时候都在用量子力学，他们也全都很擅长量子力学。量子力学并非只是个让人难窥堂奥的研究领域。在现代科技中，量子力学无处不在。半导体、晶体管、微型芯片、激光和计算机内存全都要靠量子力学才能发挥作用。从这个角度来说，必须要有量子力学，才能让我们周围这个世界基本的特征变得有意义。从根本上讲，所有的化学过程都需要用到量子力学。要理解太阳为何闪耀、桌子为何坚实，你都需要量子力学。

假设你闭上了眼睛。希望你看到的是一片黑暗。你可能会觉得当然会这样，因为没有光进入眼睛。但这个判断并非完全正确：任何有温度的物体都无时无刻不在发射波长比可见光略长的红外线，这样的物体也包括了你的身体。如果我们的眼睛对红外线跟对可见光一样敏感，那么就算闭上眼睛，我们也会被我们眼球本身发出的所有光线亮瞎。但我们眼睛里充当感光器的视杆细胞和视锥细胞非常聪明，只对可见光敏感，对红外线视而不见。这些细胞是如何做到的？后的答案也要归结到量子力学。

量子力学不是魔法，而是我们对现实世界深刻、全面的看法。就我们目前所知，量子力学并非只是对真实情形的模拟，量子力学本身就是真实。如果出现意料之外的实验结果，这个论断也会变，但到目前为止，我们还没有看到任何意外情形的迹象。二十世纪初量子力学的发展涉及普朗克、爱因斯坦、玻尓、海森伯、薛定谔和狄拉克等等如雷贯耳的名字，他们在1927年留给我们的完善认识，毫无疑问是人类历伟大的智慧结晶。我们完全有理由感到自豪。

但另一方面，理查德·费曼（Richard Feynman）也有一段让人难忘的评价：我想我敢打包票，没有人懂量子力学。我们用量子力学规划新科技，预测实验结果。但有一说一的物理学家也承认，我们并没有真正理解量子力学。我们有一个配方，可以放心大胆地应用到某些规定情形中，结果得到了精确程度让人叹为观止的预测，数据结果则已经成功证明这些预测都正确无误。但如果你想刨根究底，问问究竟发生了什么，我们其实也不知道。物理学家喜欢把量子力学当成是他们用来执行特定任务的不识不知的机器人，而不是他们会以个人身份去关心的挚友。

专家中间的这种风气也影响了更广大的世界理解量子力学的方式。我们想做到的是呈现大自然的完整图景，但是很难做到，因为物理学家对量子力学究竟在说什么仍然莫衷一是。实际上，流行的解读往往强调说，量子力学非常神秘、让人困惑，不可能有谁能理解。这样的信息与科学所主张的基本原则背道而驰，其中一条基本原则就是这样一种思想：世界从根本上讲可以理解。涉及量子力学时，我们遇到了一些心理障碍，而要克服这个障碍，我们需要施行一点量子疗法。

我们教学生学量子力学的时候，教给他们的是一系列法则。有些法则是我们很熟悉的形式：对量子系统有一个数学描述，外加阐述一下这些系统如何随着时间演化。但是，接下来还有一堆额外的法则，其他任何物理学理论中都没有与之类似的内容。这些额外法则说的是，我们观测量子系统时会发生什么，而且这些表现跟这个系统未被观测时的表现完全不同。到底是怎么回事？

基本上有两种说法。其一是我们一直以来讲给学生听的量子力学很不完整，而要让量子力学有资格成为合理合法的理论，我们需要了解何谓测量或者说观测，以及系统在未被观测时为何会表现得截然不同。其二是量子力学剧烈突破了以前我们对物理学的一贯看法，让我们的观点从世界客观存在、与我们感知世界的方式无关，转变为观测行为在某种意义上是现实世界的根本特征。

无论是哪种情形，教科书都完全有理由花点时间探索这些说法，承认虽然量子力学已经极为成功，我们也不能宣称已经大功告成，完成了探索。但教科书并没有这么做。大多数时候教材对这些问题都略而不谈，宁愿待在物理学家的舒适区，只是把方程写出来，然后要求学生去解方程。

好叫人难堪。而且还每况愈下。

你可能会想，在这种情况下，寻求理解量子力学应该是整个物理学重要的目标。应该会有数百万、数千万拨款流向量子领域的研究人员，这些问题应该会吸引全世界聪明的头脑，重大的见解应该也会得到奖励、赢得声望。各大学应该会争着抢着聘用这个领域的杰出学者，拿出超级巨星的工资水平来吸引他们离开相互竞争的机构。

遗憾的是，这些都没有发生。不只是说对量子力学的探索在现代物理学中没有成为炙手可热的领域，而且在很多地方就算没有被刻意贬低，也没有什么人认为值得重视。大部分学校的物理院系都没有人研究这个领域，选择研究这个领域的人也会遭受满腹狐疑的目光。（近我在写一个经费申请的时候，还有人建议我重点描述万有引力和宇宙学方面的工作，而提都不要提我在量子力学基础方面的工作，因为前者看起来非常正当，而后者会让我的申请看起来不大正经。）过去九十年也取得了一些重要进步，但通常都是由一意孤行的个人做出的，要么就是认为这些问题确实很重要于是虽千万人吾往矣的倔人，要么就是初出茅庐不知道研究什么好的愣头青，但稍后也会完全离开这个领域。

有一则伊索寓言说的是，有只狐狸看到美味多汁的葡萄就跳着去够，但跳得又不够高。沮丧之下这只狐狸宣布，葡萄很可能是酸的，自己反正从来也没有真的想吃这些葡萄。狐狸代表物理学家，而葡萄就是理解量子力学。很多研究人员已经认定，了解大自然真正的运作机制从来都没那么重要，重要的是做出特定预测的能力。

科学家受到的训练是，将清晰可见的结果，无论是让人激动万分的实验发现还是定量的理论模型，都视若珍宝。费尽心思去理解一种现有理论（而这样的努力可能并不会带来任何新的科技进步或是新的预测），这种思路恐怕很难卖个好价钱。美剧《火线》就体现了这种潜在的紧张关系，剧中一组探员殚精竭虑好几个月，悉心搜集证据，想把一个强大的贩毒团伙绳之以法。然而他们的老板对这种稳扎稳打的无聊过程没有耐心，他们只想下次开新闻发布会的时候桌上摆满毒品，催着警察们一击爆头，兴师动众地大行搜捕。资金管理机构和招聘委员会就像这些老板。在这个所有举措都在激励我们得出具体、量化结果的世界里，在我们向下一个迫在眉睫的目标一路狂奔的路上，没那么紧迫的大局观问题完全可以弃置道旁。

本书有三条主要信息。条是，量子力学理应可以理解虽说我们现在还没能理解而得到这样的理解应该是现代科学的首要目标。量子力学在我们亲眼所见和真实情形之间划出了清晰的界限，在物理学理论中可以说是独一份。科学家（以及所有人）都习惯了认为我们亲眼所见毫无疑问就是真实情形，并致力于做出相应解释，而量子力学对这些人的思想提出了非比寻常的挑战。但我们并非无法应战，如果我们把思想从某些旧式、直观的思考方式中解放出来，就会发现量子力学也并没有神秘到让人绝望或是无法解释。只不过是物理学而已。

第二条信息是，在对量子力学的理解中我们已经取得了真正的进展。我会重点介绍我认为明显有前景的理解方式，即量子力学的埃弗里特诠释或多世界诠释。多世界诠释受到了众多物理学家的热烈拥护，但也有很多人认为这种诠释方式粗枝大叶，对于其他现实世界中还有千千万万个自己极为反感。如果你也是其中一员，我希望至少能让你相信，多世界诠释是理解量子力学的纯粹的方式如果在认真对待量子现象时沿着阻力小的路径前行，后一定会归结到多世界诠释。尤其是，多重世界是已经存在的体系作出的预测，而不是手动生加进去的内容。但是，多世界诠释并不是值得重视的方法，我们也会介绍一些主要的相互竞争的思想。（我也许未必能一碗水端平，但会尽力做到公平。）重要的是，各种各样的诠释方式全都是精心构建的科学理论，可能会带来各不相同的实验结果，而并不是在我们完成了真正的工作之后，就着干邑白兰地和雪茄进行的让人如坠雾里的诠释论争。

第三条信息是所有这些都很重要，而且不只是对科学的完善来说有重要意义。我们不能因为目前现有的够用但条理还不够清楚的量子力学框架取得的成功，就对这个事实视而不见：某些情况下这个方法根本不能胜任愉快。特别是我们想要理解时空本身的性质，以及整个宇宙的起源和终命运时，量子力学的基础至关重要。我会介绍一些全新的、让人血脉偾张但当然也只是试探性的假说，在量子纠缠和时空卷折弯曲的方式（你我都知道这种现象叫做万有引力）之间建立起颇具争议的关联。很多年以来，找到完备的、令人信服的量子引力理论一直是极为重要的科学目标（声望、奖项、大学之间互挖墙脚等等各种勾当都因此而起）。秘诀也许并不在于从引力入手再将其量子化，而是深入挖掘量子力学本身，后发现引力一直潜藏其中。

我们无法确知。前沿研究就是会这样让人兴奋莫名又焦虑万分。但是，现在是时候认真对待现实世界的本质特征了，也就是说，要跟量子力学正面硬刚。

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