1700878229
1700878230
尽管量子态的演变是决定论式的，但它最终告诉我们的原子位形信息却是概率式的。这是因为，量子态与位形之间存在着概率式的联系。
1700878231
1700878232
在量子力学中，对时间的测量要求我们将时钟置于系统之外。在将量子力学外推至整个宇宙的过程中，这一要求引发了连锁反应。宇宙的定义本身，便要求其包罗万象，包括时钟在内的任何事物都不可能处于宇宙之外。但这样一来，宇宙的量子态就不能随宇宙外的时钟改变。最终，假使我们匪夷所思地去到宇宙之外，在我们眼中，整个宇宙将作为一个量子态冻结于时间之中。
1700878233
1700878234
不得不承认，以上论述听着像个童话故事。你或许会觉得这样不严谨的推理势必导致错误的结论。事实上，这段论述的背后有着数学公式的支持。如果我们运用这些公式，将薛定谔方程作用于宇宙量子态，最终将得到同样的结论：宇宙量子态不会随时间而改变。
1700878235
1700878236
在量子力学中，能量总和与时间的变化有关。这源于量子力学的一个基本特征：波粒二象性（wave-particle duality）。
1700878237
1700878238
在牛顿眼中，光是由粒子构成的。牛顿之后，光的衍射和干涉现象得到了细致研究。它们都可以通过光的波动性加以解释。光的本质到底是什么，这个难题直到1905年才被爱因斯坦解决。爱因斯坦认为光既有波的一些特性，也具有粒子的一些特性。20年后，物理学家路易·德布罗意（Louis de Broglie）提出波粒二象性在这个世界中其实更为普遍：任何运动的物体都具有一些波的性质，同时也具有一些粒子的性质。
1700878239
1700878240
这让人匪夷所思。我们不可能将某个既是波又是粒子的东西可视化。不错！就像我之前说的那样，量子力学就是可以描述这些无法被可视化的现象。在实验中，我们能够操作粒子，谈论粒子们如何回应测量。但如果不进行这些操作，我们就无法将真实的物理过程可视化。
1700878241
1700878242
频率是光的波属性，它描述了单位时间内，光波振动的次数；能量是光的粒子属性，每一个光子都将携带一定的能量。在量子力学中，光子的能量总是与它的频率成正比。[5]
1700878243
1700878244
在了解了波粒二象性之后，让我们重回宇宙量子态。既然宇宙之外不可能存在时钟，那么宇宙量子态便不可能随时间而变。它在时间之中冻结，所以也不可能振荡。也就是说，这个量子态的振荡频率是零。由于频率正比于能量，最终我们将得出，宇宙的总能量一定是零。
1700878245
1700878246
任何由引力维持的系统的总能量必然为负。让我们以太阳系为例。如果我们想把金星从太阳系中挪走，这一过程势必需要能量。被移动到太阳系外的金星，能量近似为零，那么此前在原轨道上的金星就一定具有负能量。我们称这一负能量为“引力势能”。
1700878247
1700878248
世间万物具有质量和动能，它们的总和便是宇宙的正能量；引力将世间万物捆绑在一起，它们的总和便是宇宙的负能量。宇宙总能量为零，即要求宇宙的正能量和负能量极为准确地相互抵消。
1700878249
1700878250
宇宙量子态不会振动，总能为零，它确实处于冰冻状态。这样的量子宇宙非常简单，它不会膨胀，也不会收缩；它不能形成星系，也没有恒星、行星，连引力波也无法在其中穿行。[6]
1700878251
1700878253
疯狂设想：将整个宇宙收入量子力学
1700878254
1700878255
早在20世纪60年代中期，量子引力学先驱布莱斯·德维特、约翰·惠勒、彼得·伯格曼（Peter Bergmann）便尝试将量子力学应用于整个宇宙，并得出了前述结果。他们在薛定谔方程中加入了量子态冻结条件，从而将其修改为我们现在所称的“惠勒-德维特方程”。很快，他们注意到，时间消失了。人们开始辩论这到底意味着什么。直到今天，辩论依然没有终结。每隔几年，就会有人组织会议专门讨论量子宇宙学中的时间问题。人类有无穷的智慧。对于这一问题，人们提出过许多不尽相同的答案。
1700878256
1700878257
在我们尝试将量子理论应用于宇宙学的过程中，宇宙的冻结量子态并不是我们遇到的唯一问题。[7]
1700878258
1700878259
世界上只有一个宇宙，我们无法制造大量全同的宇宙量子态，对它们进行测量，并将观测结果与量子力学的计算结果作比较。在这里我们就可以看出，实验观测检验理论的方法受到了极大的削弱。
1700878260
1700878261
情况还会更糟糕。我们无法将宇宙设置在某个初始量子态，更不用说准备不同的初始量子态。宇宙只发生一次，它的初始态早就给定了。从原则上说，我们根本就不能设置它的初始态。退一步来说，即使我们原则上可以设置宇宙的初始态，我们也缺乏实际操作的办法，因为我们自身就是宇宙的一部分。这样看来，说我们可以设置宇宙的量子态，其实就是在想象我们是神，存在于宇宙之外。
1700878262
1700878263
这便是量子宇宙学的悲剧，这些悲剧慢慢累积成了一大张可怕的“账单”：我们无法准备宇宙的初始量子态；无法将它置于宇宙之外，从而使其发生改变；量子力学告诉了我们一些概率，但由于我们无法获得大量的宇宙，我们不知道这些概率到底有什么意义。抛开这些问题不谈，我们还有更大的问题：宇宙之外空无一物，我们无法放置任何测量仪器。因此，用系统外的时钟度量量子系统变化的方法，对量子宇宙来说毫无意义。
1700878264
1700878265
从操作主义的角度看，将量子力学应用于宇宙，自始至终就是个疯狂的主意。量子力学中的各种操作，放到量子宇宙学中就不再有意义，这注定了量子宇宙学的失败。我们将研究宇宙局部的方法，不假思索地推广到了整个宇宙。这一切的难题，都是对我们犯下的谬误的报应。
1700878266
1700878267
事实上，我们遭遇的问题比前文所述更为严峻。这是因为在广义相对论中，我们可以选取时空中任意的时间维度。于是你会问：“假设宇宙之外真有一个时钟，那么它会测量宇宙的哪一种时间维度？”“假设宇宙中的某个量子态正在振荡，我们到底该选择宇宙中的哪口时钟，才能使这个振动变为恒定振动？”这两个问题的正确答案分别是：“所有可能的时间维度”“所有可能的时钟选取”。这将导致我们不再仅有一个惠勒-德维特方程，而是无穷多个。这些方程要求，任取宇宙的时间维度、任选宇宙内的时钟，宇宙量子态的振动频率总是为零。任选宇宙中可能出现的观测者，任选他们所携带的时钟，量子宇宙在他们看来完全相同。
1700878268
1700878269
以上难题萦绕学术界整整20年。这主要是因为无人能够解出惠勒-德维特方程。圈量子引力论（loop quantum gravity）的发明打开了这个局面，这是一条通往量子引力理论的全新道路，它可以将惠勒-德维特方程表达得足够精细，人们从而可以获得方程的解。1985年，阿沛·阿舒特卡（Abhay Ashteka）发现了广义相对论的新表达形式，这引燃了圈量子引力论革命。[8]几个月后，我有幸加入加州大学圣巴巴拉分校的理论物理研究所（现称凯维里理论物理研究所，Kavli Institute for Theoretical Physics），同特德·雅各布森（Ted Jacobson）一道工作（他现在任教于马里兰大学）。我们发现了惠勒-德维特方程的第一个精确解。更准确地说，我们发现了一个解集，内含无穷多个精确解。[9]要想写下一个引力场的所有量子态，我们还需要解开其他一些方程。这一工作由卡洛·罗威利（Carlo Rovelli）在两年后完成。[10]他当时在罗马大学的意大利国家核物理研究所工作。圈量子引力论飞速发展。到了20世纪90年代初，哈佛大学的托马斯·蒂曼（Thomas Thiemann）发现了一个更大的方程解集。[11]此后，人们发展了一种更有力的方法生成方程的解，现在我们称之为自旋泡沫模型（spin-form models）。[12]这些解的提出，使得解释无时宇宙的时间问题变得更为急迫。否则，我们无法赋予这些量子引力理论的数学解以物理意义。
1700878270
1700878271
解决时间难题的关键在于时间是否可以从无时宇宙中“演生”出来。如果演生说成立，理论便与我们日常所见的世界没有明显矛盾。我的一些同事认为，时间是宇宙近似描述的一部分，这种近似描述仅在大尺度上有效。如果我们凑近看小尺度的话，这种描述便不存在。温度就是这样一个例子。宏观物体具有温度，可单一粒子并没有。这是因为，物体的温度被定义为组成物体的原子的动能平均。一些物理学家提出，时间就像温度，仅对宏观世界有效，对普朗克尺度无效。在其他一些解决方案中，人们想通过定义两个亚宇宙系统之间的关联来发现时间。
1700878272
1700878273
如何从一个不含时间的宇宙中演生出时间？我对这个问题苦思许久，花费了大把时间思考各种解决方案。直至今日，我依然认为没有一个方案能彻底解决这个问题。对于其中一些方案，我的反对理由是非常抽象和细节化的，对我们的讨论毫无帮助，因此我想略过。我质疑量子宇宙学还有更深层次的原因，这将是本书第二幕关注的焦点。
1700878274
1700878275
与我观点相左的朋友们这样告诉我，惠勒-德维特方程的假设再简单不过，它只是将量子力学的原理和广义相对论放到了一块儿。量子力学与广义相对论，各自有适用的领域，在各自的领域内，它们都通过了实验观测的检验。正因为如此，在融合二者的过程中，我们先要认真对待二者的深层含义，理解并发展这两个理论。
1700878276
1700878277
我曾经做过布莱斯·德维特的博士后。他曾告诫我和其他博士后，做学术时要放弃形而上学的偏见，让理论阐明自身的意义。他用温柔的嗓音这样同我们说道：“让理论自己说话。”对我而言，这一幕依然历历在目。
1700878278
[
上一页 ]
[ :1.700878229e+09 ]
[
下一页 ]