1700878928
时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876991]
1700878929
时间重生：从物理学危机到宇宙的未来
1700878930
1700878931
1700878932
1700878933
1700878934
我们已经看到，若想知道物理定律是如何被取舍的，时间的真实性是回答这一问题的关键。在真实的时间之上，我们可以假设物理定律随着时间演化。认同时间的真实性，或许还能帮助我们解决另一大物理学未解之谜——如何诠释量子力学。一套新的量子理论将从时间的真实性中诞生。与此同时，它也会再一次向我们展现，物理定律到底是如何随时间演化的。
1700878935
1700878936
量子力学是有史以来最为成功的物理学理论。今天，我们所依赖的数字科技、化学科技、医药科技，几乎无一例外地源自量子力学。然而，我们有充分的理由相信，量子力学仍然是不完备的。
1700878937
1700878938
理解量子力学无疑是我们理解世界过程中的一大挑战。自20世纪20年代被提出以来，物理学家为了理解量子力学构造了各种稀奇古怪的场景。既死又活的猫，粒子间超光速的信息传递，无穷多的平行宇宙，观测者不看就不存在的真实世界……这些充满想象力的观点都是为了解密亚原子世界。
1700878939
1700878940
所有这些都在回应一个事实：量子力学无法给出单个实验的物理图景，这一事实毋庸置疑。量子力学的一个公理是，量子力学仅能对实验结果作出统计式的预测。
1700878941
1700878942
爱因斯坦很早就认为量子力学是不完备的，这是因为量子力学无法精确地描述单个实验。电子到底是怎样在能量态之间跃迁的？相隔遥远的粒子之间到底是怎么做到瞬时通信的？为什么它们似乎发生了瞬移？量子力学无法回答这些问题。尽管如此，量子力学依然非常有用。在整理大量经验数据的过程中，量子力学为物理学提供了一个框架、一种语言。纵使它确实无法解释亚原子世界中到底发生了什么，它仍然为我们提供了一套预测实验结果的算法。迄今为止，这套算法非常有效。
1700878943
1700878944
时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876992]
1700878945
不靠谱的量子力学
1700878946
1700878947
真的存在这样一个总能进行成功预测，但本质上还是不靠谱的理论吗？未来真的可能有新的理论推翻量子力学对这个世界作出的假设吗？纵观科学史，我们可以发现许多先例。千年以来，托勒密的太阳系模型工作得很好，但它的基本观点却大错特错；牛顿运动学对这个世界的假设被后来的相对论和量子力学彻底推翻。似乎，一个理论的有效性无法保证这个理论就是真理。
1700878948
1700878949
在我看来，量子力学无法摆脱托勒密理论和牛顿理论的宿命。或许，我们无法理解量子力学的原因就在于它并不是真理。量子力学似乎更可能是一个深层次理论的近似。对于我们而言，理解这个深层次理论或许是项简单得多的任务。这个深层次理论就是本书集中讨论的未知的宇宙学新理论。我想再一次强调，时间的真实性是这个理论的关键。
1700878950
1700878951
之所以说量子力学有很多问题，我们主要基于以下三个紧密关联的理由。
1700878952
1700878953
第一，它无法给出单个实验过程的物理图景；与此前的物理理论不同，我们采用的量子力学形式无法向我们逐帧展示实验过程中到底发生了什么。
1700878954
1700878955
第二，在多数情况下，它无法“精确地”预测实验结果；量子力学并没有告诉我们实验会得到什么结果，它给我们的只是出现可能结果的概率。
1700878956
1700878957
第三，量子力学中测量、观测和信息没有得到很好的定义，这是量子力学最大的问题所在。没有这些概念，我们无法表达量子力学。在量子力学中，这些概念一定作为第一性概念出现，我们无法将它们解释为量子过程。从某种程度上，与其说量子力学是个理论，不如说它是实验者解码微观系统的一套方法。测量量子系统用的仪器、测量时间用的时钟，以及身为观测者的我们，都无法用量子力学的语言来描述。这就意味着想要得到一个正确的宇宙学理论，我们就必须放弃量子力学。我们需要找个替代理论，它能扩展到整个宇宙，它将涵盖测量仪器、时钟和我们这些观测者。[1]
1700878958
1700878959
在寻求替代理论的过程中，大自然通过实验为我们展示了三条必须牢记在心的线索：不相容问题（incompatible questions）、量子纠缠（entanglement）和非定域性（nonlocality）。
1700878960
1700878961
每一个系统都有很多性质。举例来说，粒子有动量和位置[2]，鞋子有颜色和鞋跟样式。针对每个性质，我们都可以提一个问题：粒子现在在哪里？她鞋子的颜色是什么样的？我们通过实验询问系统，以获得这些问题的答案。如果你关心的系统完全属于经典物理学的范畴，那你一定能回答所有的问题，从而知道系统所有的属性。如果系统是量子的，你针对一个问题的实验设置往往意味着你无法回答其他问题。
1700878962
1700878963
举例来说，你可以问一个粒子的位置，也可以问一个粒子的动量，但你不能同时两个问题一起问。这就是尼尔斯·玻尔所谓的“互补性”（complemen-tarity），这也是一些物理学家口中的“非对易变量”（noncommuting variables）。如果鞋子也属于量子世界的话，那或许鞋的颜色和鞋跟样式也是这样一对不相容的属性。这种情况在经典物理学中没有发生。在经典物理学中，你无须选择测哪个属性不测哪个属性。这里，问题的核心在于，实验者不得不做的选择到底是否影响了他所研究的系统的真实性。
1700878964
1700878965
量子纠缠同样也是一个纯粹的量子现象。量子纠缠认为，一对量子系统可以共享一个属性，可每个系统不独立具有那个属性。换句话说，你可以问一对量子系统的相互关系，这个问题具有明确的答案；但如果你对单个系统询问相关的问题，答案就不存在。
1700878966
1700878967
让我们考虑一双量子鞋，我们可以先定义一个叫作“逆反”（contrary）的属性。如果你问两只鞋子相同的问题，总是能得到相反的答案，这种性质就叫逆反。举例来说，你问两只鞋子的颜色，一只鞋子回答“白色”，另一只鞋子就回答“黑色”。如果你问两只鞋子鞋跟的样式，一只回答“高跟”，另一只就会回答“平跟”。如果你只问一只鞋子的颜色，你有50%的概率听到“黑色”、50%的概率听到“白色”；只问一只鞋子鞋跟的样式，你有50%的概率听到“高跟”、50%的概率听到“平跟”。如果这对量子鞋具有逆反属性，那么针对一只鞋子发问，你会得到随机的答案；针对两只鞋子同时发问，你会得到逆反的答案。
1700878968
1700878969
在经典物理学中，一对粒子的属性总可以被还原为每个粒子的属性。量子纠缠的出现意味着这一规律在量子系统中并不成立。此处的讨论非常重要，因为我们可以通过量子纠缠创造出自然界的新属性。如果你让两个从未接触过的量子系统相互纠缠，你可以让这对系统具有自然界中从未存在过的逆反性。
1700878970
1700878971
我们通常将两个亚原子粒子放在一起，让它们相互接触，借此产生量子纠缠对。这对粒子一旦纠缠，就会始终保持，无论它们之间相隔多远。只要此后两者没接触其他系统，它们就会始终共享诸如逆反性之类的纠缠属性。于是，我们有了量子世界的第三条线索，也是最为惊人的一条：非定域性。
1700878972
1700878973
让我们在蒙特利尔将一双鞋进行量子纠缠，使它们具有逆反性，再将左脚的鞋子送到巴塞罗那，右脚的鞋子送到东京。巴塞罗那的实验者选择测量左脚鞋子的颜色，这一选择会瞬间影响远在东京的右脚鞋子的颜色。这是因为，一旦巴塞罗那的实验者测得了左脚鞋子的颜色，他们就能正确地预言东京的鞋子具有的相反颜色。
1700878974
1700878975
20世纪，我们熟悉了“定域性”这一物理作用属性。定域性指信息只能一个地方接一个地方地传播，它只能通过粒子或波传播。考虑相对论，传播的速度不能超过光速。量子物理似乎违背了狭义相对论的这一核心要义。
1700878976
1700878977
量子力学中的非定域性效应是真实的，也是微妙的。我们无法通过非定域性在巴塞罗那和东京之间瞬时传递信息。东京的实验者若要测量鞋子的某个属性，无论选择如何，结果在他们看来都是随机的。他们会发现鞋子黑和白的概率各为一半。只有当他们得知巴塞罗那的测量结果后，他们才能马上确定他们的鞋子颜色肯定相反。但是，一个消息从巴塞罗那传到东京需要时间——信息传播速度不会大于光速。