相对论与量子力学之战

充足理由律在我们将物理学拓展到整个宇宙的过程中至关重要，它要求我们为自然世界的每一次选择都找到一个合理的理由。然而，量子系统的行为却常常貌似是自由的、毫无理由的，这对充足理由律来说，是一个严峻的挑战。

量子物理学到底能不能满足充足理由律的要求？这个问题的答案取决于量子力学能否拓展到整个宇宙，能否在最基本的层面上描述自然，又或者只是某种全然不同的宇宙理论的近似。如果能将量子力学拓展到整个宇宙，那么我们就能在宇宙尺度上应用自由意志定理。我们假定没有比其更基本的物理理论，这就意味着，自然世界拥有真正的自由。倘若宇宙尺度上的量子系统是自由的，就意味着充足理由律是存在局限的。如果量子系统有五花八门的自由选择，世上就没有理性或充分的理由。

然而，在给出以上量子力学拓展时，我们犯下了宇宙学谬误。我们再也无法将理论与实验相比较，它被扭曲地拓展到适用范围之外。如果我们更为小心，我们需要探索一下到底量子力学是不是某种深层次理论的近似，它是否只适用于小规模的子系统。或许在宇宙的某处，还有一些我们错过了的信息，它们可以决定量子系统的未来行为。在我们将小系统的量子描述拓展成整个宇宙的理论时，这些信息将会发挥作用。

是否存在这样一个决定论式的宇宙学理论，当我们将其应用于孤立的子系统并忽略掉子系统外的一切事物时，它会变成量子力学？这个问题的答案是肯定的。但我们马上会看到，为了这个肯定的答案，我们将付出高昂的代价。

在这样的理论中，量子力学中的概率起源于我们忽视了作为整体的宇宙。如果能站在整个宇宙的层次上思考量子问题，概率将让位于确定性的结果。在将宇宙学理论截断成描述宇宙局部的理论的过程中，量子不确定性油然而生。

人们称这样的理论为“隐变量”理论（hidden variables theory）。在隐变量理论中，实验者所关注的孤立量子系统以外的宇宙信息将解决量子不确定性。人们提出过许多此类理论。这些理论所给的量子现象预言同量子力学的预言相符。所以我们知道，至少从原则上说，此类量子力学的诠释是可能的。此外，在将量子力学扩展到宇宙学理论的过程中，如果决定论得以恢复，那么与其说隐变量和单个系统的超精确描述有关，不如说隐变量和这个系统同宇宙其余部分的关系有关。我们称这样的隐变量为“相对关系隐变量”（relational hidden variables）。

根据第12章提到的最大化自由原则，量子力学是内在不确定性极大的概率式理论。换句话说，如果我们想在一个原子上重现决定论，就需要最大化的信息量。这里，信息指这个原子和宇宙整体的诸多相对关系。对于宇宙中的每一个粒子来说，它们的属性都最大限度地取决于它们与宇宙整体的隐藏关系。于是乎，量子力学诠释紧密关联于本书的主题——寻找一个新宇宙学理论。

在进入这个主题前，我们先要支付一笔“门票费”：我们要放弃同时的相对性，回到旧有的世界图景。那里，同时性在整个宇宙中有着绝对的定义。

我们必须对此万分小心——我们不想与相对论的诸多成就相矛盾。这些成就中，有一个名为“量子场论”（quantum field theory）的理论。它是狭义相对论和量子力学的成功结合，也是粒子物理标准模型的基础。它对实验物理作出了许多精确的预测，得到了大量实验结果的支持。

然而，量子场论本身有诸多问题，其中之一便是针对无穷大的微妙处理。如果这些无穷大一直存在，那么量子场论什么预测都做不出来。此外，量子场论继承了所有量子力学的概念问题，它对这些问题的解决毫无作为。量子力学的老问题，加上无穷大的新问题，暗示了量子场论本身也是某个更深层次、更为统一的理论的近似。

因此，尽管量子场论极为成功，自爱因斯坦以来的许多物理学家仍然希望超越它。他们渴望得到一个更深层次的理论，这个理论能对单个实验给出完整的描述。但正如我们此前所见，没有一个现有量子理论能做到这一点。在他们求索的过程中，量子物理与狭义相对论的矛盾不断出现，越发不可调和。当思考如何让时间在物理学中重生时，我们必须对这一矛盾进行深入理解。