共時性：因果的量子本性（簡體書）

幾千年來，科學家一直困惑於一個簡單的問題：宇宙中是否有速度極限？直到一百多年前，愛因斯坦等人揭示光速是最快的速度，光速限定了空間中因果關聯作用的速度極限。然而量子力學引入了怪異的聯繫。受到新物理學的啟發，心理學家卡爾•榮格和物理學家沃爾夫岡•泡利探索了一種稱為“共時性”的概念，他們認為這是一種奇怪的現象，可以將事件聯繫起來而沒有原因。本書是對人類尋求理解因果本性歷程的全面描述。這是一段跨越兩千多年哲學史和物理學史的充滿驚險的思想之旅，它告訴我們如果想把因果跟稀奇古怪的現實協調起來，我們必須放棄什麼。

保羅·哈爾彭是費城科學大學的物理學教授，著有十余部廣受歡迎的科普著作，最近的兩部作品是《量子迷宮》《愛因斯坦的骰子和薛定諤的貓》。他生活在美國賓夕法尼亞州費城附近。

共時性，是榮格1930年提出的概念，泛指沒有任何聯繫的物件卻可以協同行動，在治療“上帝之鞭”“瑞士愛因斯坦”“泡利不相容原理”提出者泡利酗酒等精神疾病過程中，他分析了泡利1300多個夢境，在長達25年的相互學習中，他們將這種 “非因果性原則”寫進了《對自然和心靈的詮釋》，在心理學和物理學的領域探索宇宙是怎麼通過對稱性和因果鏈之外的其他機制交織在一起。

保羅·哈爾彭以無與倫比的技巧，將人類尋求理解因果律的歷史從古希臘到現代物理學的所有線索都編織在一起，同時也穿插了很多有獨到見解的人物研究和豐富多彩的奇聞異事。

是以量子糾纏重寫廣義相對論，還是以廣義相對論的可延展性解釋量子糾纏？本書是普通讀者了解量子物理和相對論精髓的上佳通俗讀本。

引言：描繪大自然中的關聯

第一章 觸及天堂：古代對天國的看法

第二章 光被木星抱了一下腰

第三章 啟示：牛頓和麥克斯韋的互補觀點

第四章 障礙和捷徑：相對論和量子力學的狂歡

第五章 不確定性的面紗：背離現實主義

第六章 對稱性的威力：因果律之外的聯繫

第七章 走向共時性：榮格和泡利的對話

第八章 錯誤映像：在大自然不完美的鏡屋中漫步

第九章 現實世界擂臺賽：與量子糾纏、量子躍遷和蟲洞過招

結語：解開纏結的宇宙

引言 描繪大自然中的關聯
宇宙的結構是如何形成的？我們對這個問題的直觀看法未必總是能跟宇宙的實際情形相符。在歷史上，以普遍看法為基礎、信奉者眾的概念，從太陽系的地心說模型到靜態空間的想法，曾經一次次崩塌。就在我們以為自己牢牢掌握了現實真理的時候，總會有些完全出乎意料的事情，比如20世紀20年代發現的宇宙在膨脹，來把我們的信心擊個粉碎。
量子力學神妙莫測的規則似乎違背了物理學的預期，也許是對這一信息最直截了當的傳達。量子力學展現了基本粒子可以不通過中間介質交流信息，就能夠在遙遠距離上讓彼此的特徵協調一致。二十世紀二三十年代人們提出了“糾纏”的概念，從那以後，讓這個概念跟我們的感官證據相符，就成了一場曠日持久的艱苦斗爭。
糾纏不是信息交換，而是有量子特徵的關聯。在某些情況下，糾纏發生作用的速度比純粹的因果信息交流（需要一連串以光速或更低速度進行的中間步驟）所允許的速度更快。量子糾纏允許自然界存在兩條“管道”：其一為信息通道，以光速或更低速度起作用；其二為量子關聯，也許會在觀測時立即顯現。
實際上，這兩者之間並不存在矛盾。物理學已經學會了兼容並包。量子理論學家查斯拉夫·布魯克納（?aslav Brukner）就曾評論道：“我不認為量子糾纏與廣義相對論有任何矛盾。畢竟我們有彎曲時空的量子場論，這個理論運用起來完全沒有問題。”盡管如此，多年來還是有很多科學家一直在思考，一個既超越了相對論也超越了量子物理學的基礎理論，是否有可能對事物在大自然中——從微觀尺度到整個宇宙——如何相互聯繫起來，提供一個統一的解釋。統一場論不是把量子物理學的關聯縫綴在普通的相對論繡面上，而是從簡單的數學經緯線開始，編織出渾然天成的織物。最後得到的會是完全量子化的引力理論，以及所有其他相互作用和關聯。
沿著這個思路，有條推理路線是假設定域性（任何物體的特性都由與之緊鄰的情況決定）和因果關係是涌現現象，在量子世界的最深處並不存在，只有從量子世界內部邏輯的聯合應用中才會自然而然地產生。假設有一位點彩派畫家看似隨意地在各個點上輕輕塗抹，但是隨著圖案和主題將整個畫布聯成一體，她的觀眾會錯愕萬分地看到一幅錯綜複雜的杰作慢慢呈現出來。同樣也可以想象，非定域性、非因果關聯的基本現實也可以發展成局部實體之間存在因果關聯的網絡，其中就蘊含了廣義相對論的框架。
不過也有可能會有人說，量子世界的奇特性質只不過是因為我們缺乏認識而帶來的錯覺。這種情況下我們可能會認為經典物理學的那些定律仍然顛撲不破，並試圖用設置在背景中的看不見的鏈接來解釋糾纏——就好像一個堅如磐石的鋼鐵骨架秘密支撐著一座薄如蟬翼的摩天大樓一般。事實已經證明，制定這樣一個“隱變量”策略同時又不違反無數量子糾纏實驗結果，是一件非常難辦的事情，但還是有些孜孜以求的研究人員仍在繼續嘗試。
這種大統一的努力可以追溯到愛因斯坦，他認為量子力學並不完備，並為此感到沮喪。他公開反對量子糾纏，認為這是“瘆人的超距作用”，並指出宇宙中的一切過程都有因果關聯。如果某個物體的特性取決於另一個物體，那麼我們就應該能夠證明，兩者之間存在像多米諾骨牌一樣的因果鏈。在這個問題上他借用了日常經驗。如果有座火山在離你的濱海別墅數百英裡的一座小島上爆發，過了一段時間之後你的廚房開始搖晃，你就可以合情合理地推斷，地震波從前者傳給了後者。如果結果表明附近有個嗡嗡作響的建築工地才是真正的罪魁禍首，那也仍然是因果關係的一個範例。也就是說，任何給定結果，都一定有導致該結果的一系列原因鏈條。
此外，按照愛因斯坦的說法，任何物件的物理屬性原則上都應該是完全可知的（假設儀器完美無缺），而且完全取決於該物件附近的條件——這套標準叫做“定域性原理”。就像風向標一樣，任何東西只要測量得當，就應該能顯示出這個東西在什麼位置，運動得有多快，以及在其周圍是什麼導致其運動。然而大量實驗結果都表明量子糾纏千真萬確，定域性原理並不能完整描述量子相互作用，而這位卓越的物理學家關於這個問題的直覺並不正確。他的常識性觀點，認為自然界中的事件必定相互關聯，被證明是有問題的。不過，他認為這是個非常嚴肅的哲學難題，不應該就這麼束之高閣，這倒是對的。
我們對於事物如何相互關聯的直覺，對我們來說經常都會很有用處。但有時候這些直覺也會錯得一塌糊塗——不僅在物理學中，在我們日常的生活經驗中也是如此。如果我們的認知對了，那簡直就是個奇跡。認知力是一件超凡的工具。關注未來——通過收集數據並用於形成心智模型——是我們人類的專利。但就跟視覺會產生錯覺一樣，我們的感官也會欺騙我們。十八世紀的蘇格蘭哲學家大衛·休謨（David Hume）就曾經指出，我們相信因果關係是因為我們有這樣的印象，但這些印象也可能會誤導我們。因此，要描繪出物理學中這些錯綜複雜的關聯，還要考慮到相對論和量子力學這些不那麼直觀的規則，我們需要確保我們知道如何區分真相和假象，也就是把真正的規律跟毫無意義的巧合區分開——這項任務可並不總是那麼簡單。
古往今來，很多偉大的思想家都將有理有據、可資檢驗的科學關聯與偽科學的分析混為一談。畢達哥拉斯（Pythagoras）學派提出了關於數學的重要見解（涉及直角三角形的邊的一個極為重要的定理，老有名了），也提出了似是而非的數字命理學（對某些數字奉如神明）。德國數學家約翰內斯·開普勒（Johannes Kepler）以自己對幾何學“大道至簡”的直覺為基礎建立了行星運動的早期模型，隨後轉向實驗數據，才認識到自己一開始的直覺是錯的。他還給人占星算命來賺外快。但是，一旦用更系統的方法來分析行星數據，他的理論就馬上走上了正軌。英國偉大的生物學家阿爾弗雷德·華萊士（Alfred Russel Wallace）獨立於達爾文發現了通過自然選擇進化的的科學進化論概念，但是也對偽科學甘之如飴，相信靈媒的力量，也認為通靈真有其事。像這樣既發現了有效關聯也陷入過錯誤關聯的人不勝枚舉。就算是科學家，也並非總是能把真相與假象區分開。
我們來看看共時性這個概念的例子，這是1930年瑞士心理學家卡爾·榮格（Carl Jung）發明的詞，表示“非因果性原則”。雖然他把這個概念歸功於跟愛因斯坦共進晚餐時關於相對論的討論，以及對夢境、巧合和文化原型的個人分析，但是是在他跟泡利討論過量子物理學的新穎特徵（將其與經典力學的決定論區分開的那些特徵）之後，這個概念才開始炙手可熱。回過頭來看，榮格認為科學需要一種新的非因果性原則，這個見解堪稱絕妙，也頗有先見之明。但是，他接受起跟“有意義的巧合”有關的軼事證據來門檻很低，根本不會加以統計分析來剔除那些站不住腳的關聯，這是他工作中的重大失誤。對於事物之間什麼時候有關聯，榮格非常相信自己的直覺。但是，考慮到大腦時不時會向壁虛構一些錯誤的鏈接出來，單純憑直覺行事可算不上真正的科學。
然而，如果有人像愛因斯坦、鮑裡斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和羅森在1935年的一篇著名論文（我們經常稱之為“愛波羅”）中指出的那樣，完全否定遠程的非因果關聯，那麼兩個天遙地遠然而互相糾纏的粒子，又是怎麼預知觀測者打算測量的是什麼屬性的呢？比如說，如果測量了其中一個粒子的動量，就能馬上知道另一個粒子的動量，那麼第二個粒子是怎麼馬上做好準備的？這個粒子是不是施了什麼“讀心術”？愛因斯坦覺得不是，而是主張更完備的解釋：物理量的取值在被測量之前也是客觀存在的——即使實際設備的局限阻止我們測出來。
無獨有偶，差不多正是愛因斯坦將量子糾纏的正統描述說成是某種“讀心術”，在客觀的科學中並沒有一席之地的時候，資深植物學家約瑟夫·班克斯·萊因（Joseph Banks Rhine）激烈辯稱，有必要對所謂特異功能人士所宣稱的讀心術加以科學探索。比如說，“有通靈天賦”的人猜中藏起來的卡片上的圖像的概率能不能比瞎蒙高一些？為此，萊因創建了心靈學。
萊因的觀點引起了一些量子物理學家的興趣，其中就有泡利和他的朋友帕斯夸爾·約爾丹（Pascual Jordan）。雖然泡利對自己對心靈學的興趣總是諱莫如深，但他對看不見的關聯的興趣卻逐漸濃厚起來。在物理學的很多領域中，比如在評論愛因斯坦為統一自然規律而試著提出的模型的時候，泡利都會死命堅持其懷疑態度。但是在心靈學領域卻出人意料，泡利非常願意信以為真，至少有一段時間是這樣。在被介紹給瑞士心理學家榮格做精神分析之後，泡利和榮格開始探索共時性的概念，希望能建立起非因果性原則決定的現實。
榮格和泡利正確指出，科學需要超出決定論和因果關聯的期望。盡管如此，他們在試圖找到大自然中非因果關聯的例子時還是變得過於急切。他們試圖將量子糾纏與日常生活中的機緣巧合類比起來，比如夢境中的預兆、文化中的共性（榮格稱之為“原型”，並歸因於“集體無意識”）等等。遺憾的是，在建立這樣的聯繫時，他們將真正的科學謎團——為什麼決定論的因果關聯與涉及偶然因素的非因果關聯在自然界中並存——與未經證實的偽科學猜想混淆了起來。人們——就算是訓練有素的科學家——都並非總能判斷出哪些關聯是真有其事，哪些站不住腳。實際上，經試驗證實的遠距離交互作用跟僅僅感覺到兩起事件有隱藏聯繫毫無共同之處。經無數團隊的辛勤工作證實過的可重復的實驗結果，是真正的試金石；僅憑第六感是不夠的。
量子物理學盡管有怪異的一面，卻遠遠說不上漫無邊際、模糊不清。剛好相反，雖然其雜合框架中包含了偶然、相關性和連續性的奇怪混合，在此背景下卻能得出極為精確的預測。這裡面也包括實際應用，比如醫院裡天天都在用的核磁共振成像（MRI），以及正在日本測試的超導磁懸浮列車，懸浮在軌道上，能達到驚人的速度。
維也納有個研究小組，在富有創新精神的物理學家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）的領導下，多年來一直在量子瞬移和量子加密領域進行著激動人心的研究。利用量子糾纏，他們已經能夠跨過創紀錄的距離，將跟光子的量子態有關的信息從一個地方瞬間傳送到另一個地方。該團隊最近在探索的方向之一是，將光子的狀態信息發送給中國的量子科學實驗衛星“墨子號”，以期了解有沒有可能將糾纏系統用於加密，創建出幾乎無法破譯的密碼。他們的工作證明，非因果性關聯，比如量子糾纏，不但極為重要，而且非常實用。
盡管理論學家在為量子物理學中的計算規則究竟是什麼含義大傷腦筋，實驗學家卻在為屢試不爽的測量結果拊掌稱快。要透徹了解整個大自然，我們必須學會將相對論的鋼梁與量子世界柔韌但絕對有力的鋼絲網調和起來。有的時候，同一個系統可能既有因果關聯，也有共時性的屬性。
就比如說太陽。太陽的光和熱通過依賴於量子規則的核反應產生，而光和熱釋放到太空中的速度來自因果關聯：光速。雖然哲學家對於太陽能量從何而來的問題苦思冥想了好幾千年，但直到上個世紀，科學家才找到了一個讓人滿意的答案。而這個答案，是好多種過程的大雜燴。