隱藏的宇宙：量子世界與時空湧現（簡體書）

不要害怕

不是說非得是個理論物理博士才會對量子力學談虎色變。但量子力學並不傷人。
也許看起來有點奇怪。量子力學是我們理解微觀世界的最佳理論，描述了原子和粒子如何通過自然作用力相互作用，預測實驗結果的精確程度也讓人嘆為觀止。當然，也有人說量子力學很費解、很神秘，簡直就是魔法。但是專業的物理學家偏生就應該對這樣的理論甘之如飴。他們一直都在進行涉及量子現象的復雜計算，還建造了龐大無匹的機器，專門用來檢驗量子理論預測的結果。我們肯定不是想說，物理學家一直都在弄虛作假吧？
他們沒有弄虛作假，但他們也沒有對自己做到百分之百地誠實。一方面，量子力學是現代物理學的核心和靈魂。天體物理學家、粒子物理學家、原子物理學家、激光物理學家——所有人、任何時候都在用量子力學，他們也全都很擅長量子力學。量子力學並非只是個讓人難窺堂奧的研究領域。在現代科技中，量子力學無處不在。半導體、晶體管、微型芯片、激光和計算機內存全都要靠量子力學才能發揮作用。從這個角度來說，必須要有量子力學，才能讓我們周圍這個世界最基本的特征變得有意義。從根本上講，所有的化學過程都需要用到量子力學。要理解太陽為何閃耀、桌子為何堅實，你都需要量子力學。
假設你閉上了眼睛。希望你看到的是一片黑暗。你可能會覺得當然會這樣，因為沒有光進入眼睛。但這個判斷並非完全正確：任何有溫度的物體都無時無刻不在發射波長比可見光略長的紅外線，這樣的物體也包括了你的身體。如果我們的眼睛對紅外線跟對可見光一樣敏感，那麼就算閉上眼睛，我們也會被我們眼球本身發出的所有光線亮瞎。但我們眼睛裡充當感光器的視桿細胞和視錐細胞非常聰明，只對可見光敏感，對紅外線視而不見。這些細胞是如何做到的？最後的答案也要歸結到量子力學。
量子力學不是魔法，而是我們對現實世界最深刻、最全面的看法。就我們目前所知，量子力學並非只是對真實情形的模擬，量子力學本身就是真實。如果出現意料之外的實驗結果，這個論斷也會變，但到目前為止，我們還沒有看到任何意外情形的跡象。二十世紀初量子力學的發展涉及普朗克、愛因斯坦、玻?、海森伯、薛定諤和狄拉克等等如雷貫耳的名字，他們在1927年留給我們的完善認識，毫無疑問是人類歷史上最偉大的智能結晶。我們完全有理由感到自豪。
但另一方面，理乍得·費曼（Richard Feynman）也有一段讓人難忘的評價：“我想我敢打包票，沒有人懂量子力學。”我們用量子力學規劃新科技，預測實驗結果。但有一說一的物理學家也承認，我們並沒有真正理解量子力學。我們有一個配方，可以放心大膽地應用到某些規定情形中，結果得到了精確程度讓人嘆為觀止的預測，數據結果則已經成功證明這些預測都正確無誤。但如果你想刨根究底，問問究竟發生了什麼，我們其實也不知道。物理學家喜歡把量子力學當成是他們用來執行特定任務的不識不知的機器人，而不是他們會以個人身份去關心的摯友。
專家中間的這種風氣也影響了更廣大的世界理解量子力學的方式。我們想做到的是呈現大自然的完整圖景，但是很難做到，因為物理學家對量子力學究竟在說什麼仍然莫衷一是。實際上，最流行的解讀往往強調說，量子力學非常神秘、讓人困惑，不可能有誰能理解。這樣的信息與科學所主張的基本原則背道而馳，其中一條基本原則就是這樣一種思想：世界從根本上講可以理解。涉及量子力學時，我們遇到了一些心理障礙，而要克服這個障礙，我們需要施行一點量子療法。
我們教學生學量子力學的時候，教給他們的是一系列法則。有些法則是我們很熟悉的形式：對量子系統有一個數學描述，外加闡述一下這些系統如何隨著時間演化。但是，接下來還有一堆額外的法則，其他任何物理學理論中都沒有與之類似的內容。這些額外法則說的是，我們觀測量子系統時會發生什麼，而且這些表現跟這個系統未被觀測時的表現完全不同。到底是怎麼回事？
基本上有兩種說法。其一是我們一直以來講給學生聽的量子力學很不完整，而要讓量子力學有資格成為合理合法的理論，我們需要了解何謂“測量”或者說“觀測”，以及系統在未被觀測時為何會表現得截然不同。其二是量子力學劇烈突破了以前我們對物理學的一貫看法，讓我們的觀點從“世界客觀存在、與我們感知世界的方式無關”，轉變為“觀測行為在某種意義上是現實世界的根本特征”。
無論是哪種情形，教科書都完全有理由花點時間探索這些說法，承認雖然量子力學已經極為成功，我們也不能宣稱已經大功告成，完成了探索。但教科書並沒有這麼做。大多數時候教材對這些問題都略而不談，寧願待在物理學家的舒適區，只是把方程寫出來，然後要求學生去解方程。
好叫人難堪。而且還每況愈下。
你可能會想，在這種情況下，尋求理解量子力學應該是整個物理學唯一最重要的目標。應該會有數百萬、數千萬撥款流向量子領域的研究人員，這些問題應該會吸引全世界最聰明的頭腦，最重大的見解應該也會得到獎勵、贏得聲望。各大學應該會爭著搶著聘用這個領域的杰出學者，拿出超級巨星的工資水平來吸引他們離開相互競爭的機構。
遺憾的是，這些都沒有發生。不只是說對量子力學的探索在現代物理學中沒有成為炙手可熱的領域，而且在很多地方就算沒有被刻意貶低，也沒有什麼人認為值得重視。大部分學校的物理院系都沒有人研究這個領域，選擇研究這個領域的人也會遭受滿腹狐疑的目光。（最近我在寫一個經費申請的時候，還有人建議我重點描述萬有引力和宇宙學方面的工作，而提都不要提我在量子力學基礎方面的工作，因為前者看起來非常正當，而後者會讓我的申請看起來不大正經。）過去九十年也取得了一些重要進步，但通常都是由一意孤行的個人做出的，要麼就是認為這些問題確實很重要於是“雖千萬人吾往矣”的倔人，要麼就是初出茅廬不知道研究什麼好的愣頭青，但稍後也會完全離開這個領域。
有一則伊索寓言說的是，有只狐貍看到美味多汁的葡萄就跳著去夠，但跳得又不夠高。沮喪之下這只狐貍宣布，葡萄很可能是酸的，自己反正從來也沒有真的想吃這些葡萄。狐貍代表“物理學家”，而葡萄就是“理解量子力學”。很多研究人員已經認定，了解大自然真正的運作機制從來都沒那麼重要，重要的是做出特定預測的能力。
科學家受到的訓練是，將清晰可見的結果，無論是讓人激動萬分的實驗發現還是定量的理論模型，都視若珍寶。費盡心思去理解一種現有理論（而這樣的努力可能並不會帶來任何新的科技進步或是新的預測），這種思路恐怕很難賣個好價錢。美劇《火線》就體現了這種潛在的緊張關係，劇中一組探員殫精竭慮好幾個月，悉心搜集證據，想把一個強大的販毒團伙繩之以法。然而他們的老闆對這種穩扎穩打的無聊過程沒有耐心，他們只想下次開新聞發布會的時候桌上擺滿毒品，催著警察們一擊爆頭，興師動眾地大行搜捕。資金管理機構和招聘委員會就像這些老闆。在這個所有舉措都在激勵我們得出具體、量化結果的世界裡，在我們向下一個迫在眉睫的目標一路狂奔的路上，沒那麼緊迫的大局觀問題完全可以棄置道旁。
本書有三條主要信息。第一條是，量子力學理應可以理解——雖說我們現在還沒能理解——而得到這樣的理解應該是現代科學的首要目標。量子力學在我們親眼所見和真實情形之間劃出了清晰的界限，在物理學理論中可以說是獨一份。科學家（以及所有人）都習慣了認為我們親眼所見毫無疑問就是真實情形，並致力於做出相應解釋，而量子力學對這些人的思想提出了非比尋常的挑戰。但我們並非無法應戰，如果我們把思想從某些舊式、直觀的思考方式中解放出來，就會發現量子力學也並沒有神秘到讓人絕望或是無法解釋。只不過是物理學而已。
第二條信息是，在對量子力學的理解中我們已經取得了真正的進展。我會重點介紹我認為明顯最有前景的理解方式，即量子力學的埃弗裡特詮釋或多世界詮釋。多世界詮釋受到了眾多物理學家的熱烈擁護，但也有很多人認為這種詮釋方式粗枝大葉，對於其他現實世界中還有千千萬萬個自己極為反感。如果你也是其中一員，我希望至少能讓你相信，多世界詮釋是理解量子力學的最純粹的方式——如果在認真對待量子現象時沿著阻力最小的路徑前行，最後一定會歸結到多世界詮釋。尤其是，多重世界是已經存在的體系作出的預測，而不是手動生加進去的內容。但是，多世界詮釋並不是唯一值得重視的方法，我們也會介紹一些主要的相互競爭的思想。（我也許未必能一碗水端平，但會盡力做到公平。）最重要的是，各種各樣的詮釋方式全都是精心構建的科學理論，可能會帶來各不相同的實驗結果，而並不是在我們完成了真正的工作之後，就著幹邑白蘭地和雪茄進行的讓人如墜霧裡的“詮釋”論爭。
第三條信息是所有這些都很重要，而且不只是對科學的完善來說有重要意義。我們不能因為目前現有的“夠用但條理還不夠清楚”的量子力學框架取得的成功，就對這個事實視而不見：某些情況下這個方法根本不能勝任愉快。特別是我們想要理解時空本身的性質，以及整個宇宙的起源和最終命運時，量子力學的基礎絕對至關重要。我會介紹一些全新的、讓人血脈僨張但當然也只是試探性的假說，在量子糾纏和時空卷折彎曲的方式（你我都知道這種現象叫做“萬有引力”）之間建立起頗具爭議的關聯。很多年以來，找到完備的、令人信服的量子引力理論一直是極為重要的科學目標（聲望、獎項、大學之間互挖墻腳等等各種勾當都因此而起）。秘訣也許並不在於從引力入手再將其“量子化”，而是深入挖掘量子力學本身，最後發現引力一直潛藏其中。
我們無法確知。前沿研究就是會這樣讓人興奮莫名又焦慮萬分。但是，現在是時候認真對待現實世界的本質特征了，也就是說，要跟量子力學正面硬剛。