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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876994]
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来
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充足理由律在我们将物理学拓展到整个宇宙的过程中至关重要，它要求我们为自然世界的每一次选择都找到一个合理的理由。然而，量子系统的行为却常常貌似是自由的、毫无理由的，这对充足理由律来说，是一个严峻的挑战。
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量子物理学到底能不能满足充足理由律的要求？这个问题的答案取决于量子力学能否拓展到整个宇宙，能否在最基本的层面上描述自然，又或者只是某种全然不同的宇宙理论的近似。如果能将量子力学拓展到整个宇宙，那么我们就能在宇宙尺度上应用自由意志定理。我们假定没有比其更基本的物理理论，这就意味着，自然世界拥有真正的自由。倘若宇宙尺度上的量子系统是自由的，就意味着充足理由律是存在局限的。如果量子系统有五花八门的自由选择，世上就没有理性或充分的理由。
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然而，在给出以上量子力学拓展时，我们犯下了宇宙学谬误。我们再也无法将理论与实验相比较，它被扭曲地拓展到适用范围之外。如果我们更为小心，我们需要探索一下到底量子力学是不是某种深层次理论的近似，它是否只适用于小规模的子系统。或许在宇宙的某处，还有一些我们错过了的信息，它们可以决定量子系统的未来行为。在我们将小系统的量子描述拓展成整个宇宙的理论时，这些信息将会发挥作用。
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是否存在这样一个决定论式的宇宙学理论，当我们将其应用于孤立的子系统并忽略掉子系统外的一切事物时，它会变成量子力学？这个问题的答案是肯定的。但我们马上会看到，为了这个肯定的答案，我们将付出高昂的代价。
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在这样的理论中，量子力学中的概率起源于我们忽视了作为整体的宇宙。如果能站在整个宇宙的层次上思考量子问题，概率将让位于确定性的结果。在将宇宙学理论截断成描述宇宙局部的理论的过程中，量子不确定性油然而生。
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人们称这样的理论为“隐变量”理论（hidden variables theory）。在隐变量理论中，实验者所关注的孤立量子系统以外的宇宙信息将解决量子不确定性。人们提出过许多此类理论。这些理论所给的量子现象预言同量子力学的预言相符。所以我们知道，至少从原则上说，此类量子力学的诠释是可能的。此外，在将量子力学扩展到宇宙学理论的过程中，如果决定论得以恢复，那么与其说隐变量和单个系统的超精确描述有关，不如说隐变量和这个系统同宇宙其余部分的关系有关。我们称这样的隐变量为“相对关系隐变量”（relational hidden variables）。
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根据第12章提到的最大化自由原则，量子力学是内在不确定性极大的概率式理论。换句话说，如果我们想在一个原子上重现决定论，就需要最大化的信息量。这里，信息指这个原子和宇宙整体的诸多相对关系。对于宇宙中的每一个粒子来说，它们的属性都最大限度地取决于它们与宇宙整体的隐藏关系。于是乎，量子力学诠释紧密关联于本书的主题——寻找一个新宇宙学理论。
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在进入这个主题前，我们先要支付一笔“门票费”：我们要放弃同时的相对性，回到旧有的世界图景。那里，同时性在整个宇宙中有着绝对的定义。
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我们必须对此万分小心——我们不想与相对论的诸多成就相矛盾。这些成就中，有一个名为“量子场论”（quantum field theory）的理论。它是狭义相对论和量子力学的成功结合，也是粒子物理标准模型的基础。它对实验物理作出了许多精确的预测，得到了大量实验结果的支持。
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然而，量子场论本身有诸多问题，其中之一便是针对无穷大的微妙处理。如果这些无穷大一直存在，那么量子场论什么预测都做不出来。此外，量子场论继承了所有量子力学的概念问题，它对这些问题的解决毫无作为。量子力学的老问题，加上无穷大的新问题，暗示了量子场论本身也是某个更深层次、更为统一的理论的近似。
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因此，尽管量子场论极为成功，自爱因斯坦以来的许多物理学家仍然希望超越它。他们渴望得到一个更深层次的理论，这个理论能对单个实验给出完整的描述。但正如我们此前所见，没有一个现有量子理论能做到这一点。在他们求索的过程中，量子物理与狭义相对论的矛盾不断出现，越发不可调和。当思考如何让时间在物理学中重生时，我们必须对这一矛盾进行深入理解。
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876995]
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旧世界的图景
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自尼尔斯·玻尔开始，物理学界有个传统，即声称量子力学无法给出单个实验的图景并不是理论的失败，而是理论的优点。正如第7章中提到的那样，玻尔巧妙地争辩到，物理学的目的不是给出自然的图景，它只是创造出一门可以让我们针对实验设置与实验结果进行交流的语言。
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我认为玻尔的说法很有想象力，却没有说服力。我对当代许多理论物理学家的印象也是如此。这些理论物理学家认为，量子力学与现实世界无关，而与我们拥有的关于现实世界的“信息”相关。他们认为量子态不对应于任何物理上的真实状态；相反，它们是系统观测信息的编码。这些理论物理学家都很聪明，我很享受和他们争辩的过程。但是，我发现他们贱卖了科学。如果量子力学只是一套预测概率的算法，我们是否能够改进这套算法？毕竟，单个实验中有些东西存在。它们正是被我们称作电子、光子的真实存在。只有它们，才能被冠以电子、光子之名。难道我们不该构造一套概念化的语言、一个数学框架，借此紧紧抓住单个电子的本质吗？或许，没有一个原则能保证我们可以理解每一个亚原子过程中所含有的真实，没有一个原则能保证我们可用自己的语言或数学描述这些真实。难道我们不应该至少试一次？于是，我决定站在爱因斯坦一边。我相信存在着一个客观的物理现实，我相信原子中电子的能级跃迁可以被我们描述。于是，我决定探寻能给出这一描述的理论。
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第一个隐变量理论由物理学家路易·德布罗意于1927年在第5次索尔维会议（Fifth Solvay Conference）上提出。会上，量子物理学家云集。会议前不久，量子力学最终成型。[1]德布罗意理论的灵感来自爱因斯坦提出的波粒二象性（详见第7章）。德布罗意理论解决波粒难题的方法非常简单。他假设存在一个真实的波和一个真实的粒子。波和粒子都是真实的物质存在。在1924年的博士论文里，德布罗意提出波粒二象性是普遍存在的。诸如电子之类的粒子也存在波的属性。在1927年的论文里，德布罗意的物质波如同水波一样，能发生干涉和衍射。粒子随波运动。在常见的电力、磁力和引力之外，电子受到一种名为“量子力”的新型力。量子力将粒子推往波峰；因此，我们更有可能在波峰发现这些粒子。但请注意，这是个概率式的描述。为什么概率会出现？因为我们不知道粒子的初始位置；继而我们也不能准确地预测它将来出现的位置。这里，我们一无所知的隐变量正是粒子的精确位置。
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约翰·贝尔后来把德布罗意的理论称作一个关于“可存在量”（beables）的理论。[2]这与量子力学正好相对，量子力学是一个关于“可观测量”的理论。可存在量指的是某些一直存在着的东西，它与可观测量不同。在实验诱发之下，可观测量才会存在。在德布罗意的理论中，粒子和波都是可存在量。特别值得注意的是，理论中的粒子总是有个位置，尽管量子理论不能对其作出精确预测。
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然而，认为粒子和波均为真实存在的德布罗意理论并没有受到人们的重视。
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q1932年，大数学家约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）出版了一本著述。在那本书中，他证明了隐变量不可能存在。[3]几年之后，年轻的德国数学家格蕾特·赫尔曼（Grete Hermann，后来被称为“代数女皇”）指出冯·诺依曼证明中的重大纰漏，[4]冯·诺依曼错误地将他想要证明的结论作为证明的前提假设。随后，冯·诺依曼将这个前提假设伪装成了一条技术上的公理。这愚弄了别人，也愚弄了他自己。然而，赫尔曼的论文被人们忽略了。
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足足20年之后，才又有人发现了冯·诺依曼的错误。20世纪50年代初，美国量子物理学家戴维·玻姆（David Bohm）撰写了一本量子力学教科书。[5]在认真思索量子力学的奥秘之后，玻姆重新提出了德布罗意的隐变量理论——他对这个20多年前的理论一无所知。玻姆写完了关于新量子理论的论文，并将它投到一家物理学杂志。可他收到了拒绝信。信中说，这个理论和冯·诺依曼大名鼎鼎的证明有矛盾，隐变量不可能存在。玻姆很快就发现了冯·诺依曼证明中的错误，并专门写了篇文章指明这一点。[6]此后，一小部分专家开始致力于探索这种被当代人称为“德布罗意-玻姆理论”的量子理论。它是通往量子理论基础的道路之一。今天，人们还在积极地发展这一理论。
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由于德布罗意-玻姆理论的存在，我们知道隐变量理论仍是解释量子力学之谜的办法之一。对德布罗意-玻姆理论的研究令人受益。这是因为这一理论的很多特征，被证明适用于任何可能存在的隐变量理论。
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德布罗意-玻姆理论和相对论的关系非常纠结。一方面，德布罗意-玻姆理论给出的统计预测和量子力学的预测相符。而且，这些预测还能与狭义相对论相容，特别是，它能与同时的相对性相容。然而另一方面，德布罗意-玻姆理论在给出统计预测外附赠了其他东西，这与量子力学不同；它给出了单个实验过程中的详细物理图景。在这个理论中，波随时间演化，不断影响粒子的位置；这样就意味着，理论违背了同时的相对性，因为描述波如何影响粒子运动的定理只对某一特定参考系上的观测者成立。因此，从这种意义上说，如果我们认为德布罗意-玻姆隐变量理论是真正的量子力学诠释，那么就要相信最佳观测者的存在。最佳观测者携带的时钟所测的时间就是最佳物理时间。
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这种与相对论模棱两可的关系在所有可能的隐变量理论中出现。[7]这些理论给出的统计学预测与量子力学相符，与相对论相容。然而，近看每个单独事件上的细节图景时，我们发现理论与相对性原理相悖，只能从某一特定观测者的视角出发进行诠释。