不靠谱的量子力学

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。

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。

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。

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。

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。

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]

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

为什么东京的鞋子会和巴塞罗那的鞋子发生关联？为什么两地的实验者打开盒子总会发现鞋子的颜色是相反的？这些问题并没有被解决。有人或许这样想，在蒙特利尔负责发货的人总能保证，装有相反颜色鞋子的盒子被分别送往东京和巴塞罗那。但一系列实验结果加上理论论证否定了这种假设。相反，从某种程度上说，关联建立于盒子在东京和巴萨罗那被打开的一瞬间。

假设我们有一大盒鞋子，让每一对鞋子纠缠并使它们具有逆反性。我们将所有左脚鞋子寄往巴塞罗那，将所有右脚鞋子寄往东京。两个城市的实验者被允许随机选择他们关心的鞋子的属性，对之测量并记录测量结果。之后，他们会将测量结果送回蒙特利尔的鞋厂。在那里，我们将对这些信息进行比较。最终我们发现，想要搞清为什么这些结果会相互关联，我们只能假设非定域性的存在。也就是说，我们选择测一只鞋子的哪种属性，都会影响与之纠缠的另一只鞋子的属性。这便是1964年爱尔兰物理学家约翰·贝尔（John Stewart Bell）提出的定理的大意。自此以后，一系列聪明的实验展示了贝尔定理。