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量子宇宙 [:1700921912]
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量子宇宙 量子测量问题
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当我们把对应不同费曼图的钟加在一起时，也会允许“量子干涉的狂欢”发生。和双缝干涉实验的情形一样，在那里我们曾须考虑，粒子可以到达荧幕的所有路径，这里我们也须考虑一对粒子从初始位置到达终点所有可能的方式。我们能以此计算出正确的答案，因为它允许不同图之间的干涉。只有当最后所有钟都被加在一起、所有的干涉都被考虑在内时，我们才能求出最后钟大小的平方，计算出物理过程发生的概率。听上去挺简单，但请看看图10.2。
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图10.2：观察正在发生之事的人类眼睛。
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如果我们试图去确定电子在跃至X和Y时都做了什么，会发生什么呢？我们只有一种方法可以研究这一点，就是根据游戏规则去与体系相互作用。在QED中，这意味着我们必须使用电子-光子的分枝规则，因为没有其他选择。因此，我们与其中一个光子展开相互作用，无所谓它是从这一个或另一个电子发出的。我们用个人版光子探测器——肉眼来探测它。注意，我们现在对理论提出了一个不同的问题：“在X处发现一个电子的同时，在Y处发现另一个，并且我的眼睛能看到一个光子的机会有多大？”我们知道如何得到答案：考虑所有始于两个电子的不同图像，将结束时一个电子抵达X、另一个电子抵达Y且还有一个光子抵达“我的眼中”所相关联的钟都加起来。更精确地说，还得讨论光子如何和肉眼相互作用。虽然这一开始可能很简单，但很快就会失控。例如，光子会与一个位于我眼睛内部原子的电子发生散射，而这会触发一连串的事件，最终导致我意识到眼中有光闪过，也就是说我感知到了光子。因此，要完整地描述所发生的事情就需要明确我大脑中每个粒子的位置，因为是它们在光子到来时会做出反应。我们正在接近一种叫作量子测量问题的东西。
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至此，我们已经比较详细地介绍过如何计算量子物理学中的概率。这意味着，如果我们进行某项实验，量子理论允许我们有机会测量得到某些特定结果。只要我们遵守游戏规则，坚持只计算某件事情发生的概率，这个过程就没有任何模糊之处。然而，还是有一些令人不安的地方。想象一位实验者进行一项以“是”或“否”为结果的实验，在实际操作过程中，实验者只会记录“是”或“否”，而不会同时记下两种结果。到目前为止一切还算顺利。
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接着再想象第二位实验者在此之后做了些其他的测量（具体内容无所谓）。同样，假设这是一个简单的实验，结果是“咔”或者“不咔”。量子物理学的法则规定，为计算第二项实验结果为“咔”的概率，我们要加起来的钟必须考虑所有可能导致“咔”这个结果的情形。这也可能包括第一个实验者得到“是”以及与之互补得到“否”的两种情形。只有对这两种情形求和后，我们才能得到在第二项实验中测得“咔”的正确的概率。这真的对吗？我们真的得认为，即使在某些测量之后，也应该保持整个世界的相干性[216]吗？还是说，一旦我们在第一项实验中测得了“是”或“否”，则未来就只由那次测量的结果所决定？对后一种做法举例如下：在第二项实验中，如果第一位实验者测得“是”，则第二项实验得到“咔”的概率，就不应该由“是”和“否”的相干求和来计算得到；相反，应该只考虑世界上所有从“第一个实验得出‘是’”演化到“第二个实验得出‘咔’”的方式。这种做法，相比于我们对“是”和“否”的结果求和当然会给出不同的答案；而我们需要知道，想要得到完整的理解，哪种做法才是正确的。
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要检查哪种做法才是正确的，就得确定测量过程本身是否有什么特别之处。它是否改变了世界，阻止我们把量子振幅相加，抑或是说，测量的只是可能性恢弘巨网中的一部分，而后者永远保持相干叠加？作为人类，我们可能倾向于认为，现在的某个测量（比如得到“是”或“否”）会不可逆转地改变未来；而如果此事当真，则未来的测量结果永远不可能同时通过“是”和“否”这两条路径。但事情显然并非如此；因为似乎总有机会在未来处于某个量子态的宇宙中找到既通过“是”也通过“否”到达的可能。如果认真接受量子物理学的定律，这些态似乎让我们别无选择，只能通过对“是”和“否”的路径求和，来计算出它们显现的概率。虽然这看起来很诡异，但它并不比在本书中贯穿始终的历史求和更诡异。诡异感只是因为我们非常严肃地对待这些求和观念，乃至在人类及其行为的层面上也准备这样做。从这个角度来看，并不存在什么“测量问题”。只有当我们坚持，测得“是”或“否”的结果确实改变了事物的本质时，我们才会遇到问题；因为这样我们就有责任解释是什么触发了变化、破坏了量子相干性。
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我们一直在讨论的量子力学理论方法，反对每当有人（或物）“进行测量”大自然就选择一个特定现实的想法，构成了俗称“多世界”（many worlds）的诠释基础。它非常吸引人，因为它是遵守基本粒子行为定律的产物，并足够严肃地运用这些定律去描述一切现象。但它的含义是惊人的，因为我们得想象宇宙真的是所有可能发生之事的相干叠加，而我们感知到的世界（看起来是具体的现实）之所以如此，是因为我们被愚弄了，误以为每当“测量”某事物相干性就丧失了。换言之，自我意识对世界的感知是受主观加工而成的，因为备选的（可能产生干涉的）历史极有可能无法导出相同的“当下”，这意味着量子干涉可以忽略不计[217]。
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如果测量并未真正摧毁量子相干性，那么在某种意义上，我们是在一个巨大的费曼图中度过了一生，而我们倾向于认为确定的事情正在发生，其实是我们对世界粗劣感知的结果。所以说如果在未来某时刻，我们身上发生了一些事情，而这些事情的发生要求我们在过去同时做了两件相反的事情，也并非不可想象的。显然，这种影响只能是微妙的，由于像“得到了工作”和“没得到工作”这样对我们生活影响巨大的事情，很难想象出现一种情形使得无论得不得到工作都能导致相同的未来（记住，我们只能把引出相同结果的振幅加起来）。所以，在这个例子中，得到了和没得到工作，并不会显著地互相干涉，而我们对世界的感知就像是只发生了一件事而没有其他可能一样。然而，两种备选情形的差异愈不明显，事情就愈模糊；如前所述，对于包含少数粒子的相互作用，对其不同可能性求和是完全有必要的。日常生活涉及巨量粒子，这意味着在某个时刻，两种本质不同的原子构型（例如，得到了或是没得到工作）极不可能产生显著的干涉效应，也很难导致未来的情形。反之，这意味着我们可以继续假装认为，世界已经因为一次测量而产生了不可逆的变化，即使实际上并非如此。
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但是，在我们真正进行实验时，对于这种计算某事发生概率的严肃事务，这些沉思并不是迫切需要的。对于这些事务，我们知道规则、执行规则，就没有任何问题。但或许有一天，这种欢乐的时光会改变——目前，关于我们的过去可能会如何通过量子干涉影响未来的问题，实验还根本无法涉及。对量子理论所描绘的世界（或多世界）的“真实本质”的沉思，会在多大程度上阻滞科学的进步，这个问题被很好地概括在了“闭嘴计算”物理学派[218]的立场中，它机智地拒绝了任何谈论事物真实性的企图。
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量子宇宙 [:1700921913]
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量子宇宙 反物质（anti-matter）
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回到我们的世界，图10.3展示了两个电子相互散射的另一种方式。一个入射电子从A跃至B，并于此处发射出一个光子，目前还算顺利。但现在电子又顺时至Y，在彼处吸收另外一个光子，再顺时而下，最后可能在C处被探测到。这张图并不违反我们关于跃动与分枝的规则，因为电子完全按照理论规定的方式辐射和吸收光子。按照规则这可以发生，并且如本书标题所示，只要可能都会发生。然而，这种事情似乎的确违反常识，因为我们得接受电子能在时间中逆行回到过去的观念。用这种观念能写出不错的科幻小说，但违反因果律可没法造出宇宙。并且，它看似也会制造量子理论和爱因斯坦狭义相对论之间的直接冲突。
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图10.3：反物质……或在时间中逆行的电子。
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值得注意的是，正如狄拉克于1928年所意识到的那样，亚原子粒子的这种特殊时间旅行并没有被禁止。如果从“顺时”的角度来重新诠释图10.3中发生的事情，就可以看到一点暗示，一切可能并不像看上去那样有缺陷。在图中，我们得从左向右追踪事件。我们来从时刻T=0开始，那时的世界只有两个电子，位于A和B。我们在这个仅含两个电子的世界中继续，直到时刻T1，这时下方电子发射出一个光子；在时刻T1和T2之间，世界包含两个电子和一个光子。在时刻T2，光子没了，由一个电子（最终到达C）和第二个粒子（最终到达X）所替代。我们不愿将第二个粒子称为电子，因为它是“在时间中逆行的电子”。问题是，从一个顺时间前进的人（比如你）的角度来看，一个在时间中逆行的电子看起来是什么样的？
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要回答这个问题，我们来想象，给一个在磁铁附近运动的电子拍摄一些录像片，如图10.4所示。只要电子的速度不太快[219]，它通常会做圆周运动。如前所述，电子可以因磁铁而偏转，这就是老式CRT[220]电视机或者更令人向往的粒子加速器包括大型强子对撞机背后的基本构造理念。现在想象把录像倒放。这就是从我们“顺时”的角度来看“一个在时间中逆行的电子”的样子。我们现在会看到，随着录像播放，“逆时电子”沿相反方向做圆周运动。从物理学者的角度来看，倒放的录像就完全像是另一个正放的录像，其中的粒子和电子几乎完全相同，除了它似乎带正电荷。现在，我们有了问题的答案：逆时电子对我们而言像是“带正电的电子”。因此，如果电子真的能在时间中逆行，则我们可以期待遇到的是“带正电的电子”。
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图10.4：一个电子在一块磁铁附近做圆周运动。
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这种粒子确实存在，被称为“正电子”（positron）。它们被狄拉克于1931年初引入，来解决他为电子写下的量子力学方程中的问题，可以说这个方程似乎预测了负能量粒子的存在。后来，狄拉克对他的思维方式——特别是对自己数学推导正确性的坚定信念——阐述了绝妙的洞见[221]：“我最终接受了负能态不能从数学理论中被排除掉的事实，所以我想就试着给这些负能态找一个物理解释吧。”
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仅仅一年多以后，显然还不知道狄拉克预言的卡尔·安德森[222]（Carl Anderson），在观察宇宙射线（cosmic ray）粒子时，在他的实验仪器中看到了一些奇怪的轨迹。他的结论是[223]：“看似有必要用到一种带正电的粒子，其质量与电子相当。”这再一次说明了数学推理的奇妙力量。为了搞清楚一条数学结论的意义，狄拉克提出了一种新粒子的概念——正电子；几个月后，它就在高能宇宙射线碰撞的产物中被发现了。正电子是科幻小说中常见的元素——反物质。
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