장13 12장 새로운 원정

하나 1953년, 젊지만 다재다능한 물리학자 머레이.Murray Gell-Mann은 Princeton을 떠나 University of Chicago의 강사가 되었습니다.당시 시카고는 여전히 엔리코에 가려져 있었습니다.1938년 핵물리학 이론에 대한 탁월한 공헌으로 노벨상을 수상한 이후 거의 16년이 지났습니다.Gell-Mann은 앞으로 16년 후에 같은 영예가 그에게 돌아가리라고는 상상하지 못했을 것입니다. 이미 성공하고 유명하지만 Fermi는 여전히 관대하고 느긋한 태도를 가지고 있으며 모든 사람과 과학적 문제를 기꺼이 논의합니다.핵물리학의 비약적인 발전의 시대에 양자론은 그 근간이 되어 신성불가침의 고전으로 여겨져 왔지만, 페르미는 늘 의심으로 가득 차 있었다.

양자 이론이 옳기 때문에 중첩은 보편적인 현상임에 틀림없다.그런데 왜 화성은 궤도에서 퍼져 나가지 않고 일정한 궤도를 가지고 있을까요? 당연히 대답은 코펜하겐주의자의 가방 안에 있었습니다. 화성이 퍼지지 않은 이유는 누군가가 그것을 보고 있었기 때문입니다.볼 때마다 파동 함수가 붕괴됩니다.그러나 Fermi와 Gell-Mann은 이 답변이 너무 지루하고 어리석다고 생각했으며 더 나은 설명이 있어야 합니다. 페르미가 살아 있는 동안 더 나은 답을 얻지 못한 것은 유감입니다.그는 1954년에 곧 사망했고, Gell-Mann은 이듬해 Caltech로 전환하여 훌륭한 경력을 쌓기 시작했습니다.Caltech에는 우수한 학생들이 꾸준히 있으며 James B Hartle도 그 중 한 명입니다.1960년대에 그는 Gell-Mann 밑에서 박사과정을 밟았고, 양자우주론에 대한 충분한 연구와 생각을 했고, 점차 마음속에 아이디어를 형성했다.당시 Feynman의 경로 적분법은 20년 이상 정립되어 있었고, 1970년대에는 역사에서 앞서 언급한 바와 같이 결어긋남의 새로운 이론이 Zurek와 Zeh et al. 의 노력1980년대에 에버렛의 다중우주 설명은 물리학계에서 되살아나 순식간에 모두의 관심을 불러일으켰고, 모든 외부 조건은 점차 성숙해졌고, 1984년 로버트 그리피스는 그의 논문을 발표한 후 결맞음 역사(DH로 약칭) 설명이 공식적으로 확립되었습니다.

우리는 또한 Everett의 MWI를 기억합니다. 우주는 슈뢰딩거 방정식의 진화에서 여러 세계로 투영되어 각 세계에서 다른 결과를 생성합니다.이와 같이 우주의 발전사에는 점점 더 많은 세계가 생산되어 왔다.역사는 하나뿐이지만 세계는 많다! Hartl과 Gell-Mann은 역사에 관한 Griffith의 논문을 읽었을 때 갑자기 통찰력을 갖게 되었습니다.그들은 외치기 시작했습니다. 안돼!사실은 Everett의 가정과 정반대입니다. 세계는 하나뿐이지만 역사는 많습니다! 우리가 역사라는 단어를 언급할 때 가장 먼저 떠오르는 것은 아마도 고대 이집트, 바빌론, 그리스와 로마, 당나라, 송나라, 원나라, 명나라, 청나라와 같은 개념일 것입니다.역사는 과거에 대한 연구입니다.그러나 물리학에서는 과거, 현재, 미래가 명확하게 구분되지 않으며, 적어도 이론상으로는 이러한 상태를 명확하게 구분할 수 있는 기능이 없습니다.물리적인 관점에서 역사에 대해 이야기하면 시스템이 경험한 기간과 이 기간 동안 경험한 상태 변화로 정의할 뿐입니다.예를 들어, 상자 안에 갇혀 있는 한 무리의 입자들의 이력을 논한다면, 열역학 제2법칙에 따라 점차 퍼져나가 마침내 최대 열복사 평형 상태에 도달할 것이라고 예측할 수 있습니다.물론 그 안에 블랙홀이 형성되어 남은 열 복사와 평형을 이룰 가능성도 있는데, 양자 요동과 호킹 증발로 인해 시스템이 이 두 평형 상태 사이에서 끊임없이 요동칠 가능성이 매우 높지만 어쨌든 특정 순간에 해당하는 시스템은 특정 상태를 갖게 되며 이를 연결하는 것을 시스템의 역사라고 합니다.

우리는 양자역학에서 모든 것이 불연속적이고 연속적이지 않다는 것을 명심해야 합니다. 테네시로 가는 길.따라서 우리가 말하는 역사는 실제로 시간 tk에 해당하는 시스템이 해당 상태 Ak를 가짐을 의미합니다. 우리는 여전히 문제를 설명하기 위해 많은 사람들이 보고 듣고 싶어하는 은유를 사용합니다.특정 리그에 참가하는 축구 팀을 상상해보십시오. 리그는 총 n 라운드가 있습니다.그러면 이 팀의 역사는 다음과 같습니다. 리그의 k번째 라운드(순간 k)에 해당하며 관찰하면 이 게임의 결과 Ak를 얻습니다(Ak는 1:0, 2 :1, 3:3 등).이 팀의 역사를 완전히 기록하면 아마도 다음과 같을 것입니다.

1:2, 2:3, 1:1, 4:1, 2:0, 0:0, 1:3 간결함을 위해 지금은 한 게임의 상황만 조사합니다.게임의 모든 가능한 이력의 총 수는 이론적으로 무한대이며, 물론 실제로는 일반적으로 점수가 높지 않습니다.게임이 실행되지 않았거나 적어도 그 결과를 알지 못하는 경우 각 기록에 대해 발생 확률만 추정할 수 있습니다.실제로는 확률조차 계산하기 어려운 경우가 많습니다(북메이커 배당률을 참조하거나 일부 도박 웹사이트를 탐색하는 것이 도움이 될 수 있지만 때로는 상당히 오해의 소지가 있을 수 있음). 모든 종류의 역사에 대한 정확한 확률.예를 들어 1:0으로 이겼을 가능성은 10%, 1:2로 졌을 가능성은 20% 등이다.

그렇게 많이 말했는데 이것들이 무슨 소용이 있겠습니까?조급해하지 마십시오. 곧 결과를 보게 될 것입니다. 지금까지 우리는 고전적 확률을 다루었기 때문에 그것들은 가산적입니다!즉, 두 개의 이력 a와 b가 있고 각각의 발생 확률이 Pa와 Pb인 경우 a 또는 b가 발생할 확률은 Pa+Pb입니다.우리의 예를 들면 다음과 같이 질문할 수 있습니다. 두 골 차이로 승리할 확률은 얼마입니까? , 그러면 두 골의 골 차이에 대한 모든 역사적 확률의 합과 같아야 합니다. 즉, P(2:0)+P(3:1)+P(4:2)+이것은 물론입니다. 하지만 양자 이론으로 돌아가 봅시다.흥미롭게도 양자 이론에서 그러한 추가가 항상 가능한 것은 아닙니다!우리가 무미건조하게 논의한 실험을 해보면 왼쪽 슬릿을 통과한 전자가 하나의 이력이고 오른쪽 슬릿을 통과한 전자가 또 다른 이력이라면 전자가 왼쪽 슬릿을 통과할 확률이나 오른쪽 슬릿을 통과할 확률은 얼마나 될까요?우리는 그것을 계산하기 위해 소위 밀도 행렬 D에 넣어야 하고, 그것들을 표로 정리해야 합니다!

이 표에서 좌표(left, left)에 머무르는 값은 히스토리가 왼쪽 솔기를 통과할 확률입니다.(오른쪽, 오른쪽)에 머무는 사람들은 의심할 여지 없이 오른쪽 슬릿을 통과할 확률이 높습니다.하지만 잠깐, D(왼쪽, 오른쪽)와 D(오른쪽, 왼쪽) 두 개의 엑스트라가 남아 있습니다!이 두 가지는 무엇입니까?그것들은 확률이 아니라 좌파와 우파의 두 역사 사이의 교차 간섭을 나타냅니다!불행하게도, 계산은 종종 이러한 간섭 항이 작동하지 않는다는 것을 보여줍니다. 즉, 왼쪽 슬릿을 통과한 역사와 오른쪽 슬릿을 통과한 두 역사는 독립적인 것이 아니라 서로 얽혀 있고, 그 사이에는 간섭항이 존재한다.전자가 왼쪽 슬릿 또는 오른쪽 슬릿을 통과하는 상황을 계산할 때 우리가 얻는 것은 전통적인 확률이 아닙니다.간단히 말해서 그러한 결합 이력은 확률이 없습니다!이것이 이중 슬릿 실험에서 전자가 왼쪽 슬릿 또는 오른쪽 슬릿을 통과한다고 말할 수 없는 이유입니다. 두 개의 역사가 일관성이 있기 때문에 동시에 이중 슬릿을 통과해야 합니다!

우리의 축구 비유로 돌아가서, 퀀텀 리그에서 모든 가능한 이력은 일관되며, 1:0의 이력과 2:0의 이력은 서로 간섭하므로 확률이 더해지지 않습니다!즉, 1:0의 확률이 10퍼센트이고 2:0의 확률이 15퍼센트라면 1:0이나 2:0의 확률은 25퍼센트가 아니라 뭔가 막연한 것, 확률이 주어질 수 없습니다! 그다지 좋게 들리지 않지만 이러한 확률이 합산되지 않으면 축구 도박을 하거나 축구 복권을 사는 사람들은 압도되어 돈을 합리적으로 투자할 수 없을 것입니다.확률을 계산할 수 없다면 다른 무엇을 할 수 있습니까?그러나 걱정하지 마세요. 멋진 일이 곧 일어날 것이기 때문입니다. 하나 또는 둘의 확률을 예측할 수는 없지만 실제로 승리하거나 추첨할 확률은 예측할 수 있습니다!이것은 모두 디코히어런스 메커니즘의 존재 때문입니다!

여기에 마법의 비밀이 있습니다. 게임의 특정 점수에는 관심이 없고 결과에만 관심이 있을 때 실제로 많은 정보를 무시합니다.예를 들어 특정 점수가 아닌 승패의 역사를 논할 때 실제로 대략적인 역사를 구성합니다.리그의 각 라운드에서 우리가 관찰하는 상태 Ak에는 무한한 수의 더 정제된 상태가 포함됩니다.예를 들어, 우리가 2라운드에서 팀이 이겼다고 말할 때, 그것은 1:0, 2:1, 2:0, 3:1을 포함하며, 모든 구체적인 결과는 승리로 요약될 수 있습니다.용어로 우리는 각각의 특정 가능한 점수를 세밀한 역사라고 부르고 승패와 같은 역사를 조악한 역사라고 부릅니다.

다시 말하지만, 간결함을 위해 우리는 한 게임의 경우만 조사합니다.단일 게임의 경우 대략적인 기록은 승리, 무승부, 패배의 세 가지 유형에 불과합니다.승률이 30%이고 비길 확률이 40%라면, 이기고 비길 확률, 즉 무패일 확률은?모두가 여전히 위에서 논의한 내용을 기억하고 걱정하기 시작할 수 있습니다. 양자 이론이 고전적인 확률을 제공할 수 없기 때문입니다. 하지만 이번에는 다릅니다!이번에 양자론은 고전적 확률과 비슷한 답을 내놓았다. 무패 확률 = 30 + 40 = 70%! 왜 이런거야?우리가 승리와 평화 사이의 관계를 계산할 때 실제로 그 안에 포함된 모든 곡물 역사 사이의 관계를 계산했다는 것이 밝혀졌습니다!승과 평화를 행렬에 넣어 계산하면 참으로 (승리, 무승부)와 같은 간섭 항목이 나오는데 이 간섭 항목은 무엇입니까?두 종류의 거친 역사를 구성하는 모든 세밀한 역사의 간섭의 합입니다!즉, 1:0과 0:0 사이의 간섭, 1:0과 1:1 사이의 간섭, 2:0과 1:1 사이의 간섭 등을 포함한다.요컨대, 가능한 모든 쌍의 간섭이 고려되었으며, 함께 추가된 이러한 모든 간섭이 정확히 상쇄된 것을 발견하고 놀랐습니다.최종 결과가 나오면 Shengping과 Heping 사이의 간섭 항은 완전히 사라지지는 않더라도 무시할 수 있을 정도로 작아졌습니다.Shengping과 Heping의 두 가지 거친 역사는 더 이상 관련이 없으며 일관성이 없습니다!

양자역학에서는 특히 이러한 모든 히스토리를 계산하기 위한 디코히어런스 함수를 구성하기 위해 소위 경로 적분(path integral) 방법을 사용할 수 있습니다.우리 역사에서 조금 더 일찍 경로 적분에 대해 언급한 바 있는데, 1942년 미국의 유명한 물리학자 파인만이 발표한 양자 계산 방법입니다.경로 적분은 전체 시간과 공간을 합하는 방법으로 입자가 A에서 B로 이동할 때 가능한 모든 공간과 모든 가능한 시간의 중첩으로 그 궤적을 표현합니다!초기 상태와 최종 상태만 고려하고 중간 상태는 무시합니다. 신경쓰지 않는 이러한 상태에 대해서는 가능한 모든 경로를 순회하고 합산합니다. 미묘한 점은 이러한 경로가 종종 서로 상쇄된다는 것입니다. 밖으로. Quantum Football Field에서도 같은 일이 발생합니다. 우리는 특정 점수와 같은 보다 미묘한 사항이 아니라 게임의 결과에만 관심이 있습니다.특정 점수를 무시하면 실제로 각 가능한 점수(기록)에 대해 순회 합계가 수행됩니다.모든 미립자 이력을 요약하면 간섭이 완전히 상쇄되거나 적어도 거의 상쇄되는 경향이 있습니다.이때 고전적 확률이 테이블에 다시 올라오고 두 개의 거친 역사의 확률이 다시 가산되며 양자 이론이 마침내 다시 작동할 수 있습니다!우리는 게임이 하나인지 둘인지는 말할 수 없을지 모르지만, 게임이 이겼는지 동점인지는 확실히 말할 수 있습니다!두 역사가 더 이상 관련이 없기 때문입니다! 핵심은 우리가 충분히 조악한 역사를 구축해야 한다는 것입니다.제니퍼의 디지털 사진 두 장을 보낸 것과 같습니다.로페즈와 제니퍼.애니스톤의 클로즈업, 그리고 둘 중 누가 더 아름답다고 생각하는지 묻습니다.이 사진들을 최대 크기로 확대하면 다른 색상의 일부 색상 블록만 보일 수 있으며 두 사진은 큰 차이가 없는 것처럼 보입니다.해상도를 충분히 낮추거나 색상 블록을 흐리게 할 수 있을 만큼 뒤로 물러나야만 전체 구도를 볼 수 있고 두 사진의 차이를 효과적으로 구별하고 비교할 수 있습니다.결론적으로 두 사진은 충분히 조잡해야만 구별할 수 있으며, 우리의 역사도 마찬가지입니다!두 히스토리의 입자가 너무 미세하여 서로 간섭하면 구분할 수 없습니다 예를 들어 왼쪽 슬릿을 통과하는 전자와 오른쪽 슬릿을 통과하는 전자의 두 히스토리를 구분할 수 없습니다. 같은 시간!그러나 역사의 입자가 충분히 조밀하다면 두 역사를 효과적으로 분리할 수 있으며 서로 결맞습니다! 우리가 전자의 거동을 관찰하고 최종 결과를 얻을 때, 우리는 실제로 일종의 조악한 역사를 구성합니다.두 가지로 요약할 수 있습니다. 왼쪽에서 입자를 관찰하고 오른쪽에서 입자를 관찰합니다.왜 우리는 그것들이 거친 역사라고 말합니까?우리가 무시하는 것들이 너무 많기 때문입니다.이제 우리는 전자를 관찰할 때 전자가 어디에 있는지에만 관심이 있고 실험실에서 우리가 오늘 라면을 먹든 햄버거를 먹든 스시를 먹든 상관하지 않으며 관찰할 때 공기 중에 얼마나 많은 먼지가 있는지도 신경 쓰지 않습니다. 얼마나 많은 광자가 창문을 통해 우리에게 들어와 우리와 상호작용하고 있을까요 이론적으로 각각의 상황은 라면을 먹고 왼쪽에서 전자를 관찰하고 햄버거를 먹는 것과 같이 특정한 종류의 역사에 해당해야 합니다 우리가 왼쪽에서 관찰하는 전자는 실제로 두 개의 다른 역사입니다.왼쪽의 전자를 관찰하면서 동시에 1억 광자에 부딪히는 것과 왼쪽에서 전자를 관찰하면서 동시에 1억과 1개의 광자에 부딪히는 것도 서로 다른 이력이지만 우리는 신경쓰지 않는다. 우리는 그것들을 단순화하고 전자가 왼쪽 범주에 있다는 것을 관찰할 때까지 실제로 매우 거친 이력을 구성합니다. 이제 우리가 전자가 왼쪽에 있는 것을 관찰하고 전자가 오른쪽에 있는 것을 관찰한 두 역사 사이의 간섭을 계산할 때 실제로 너무 많은 것에 대해 에르고딕 합산을 하고 있는 것입니다.햄버거를 먹은 당신, 초밥을 먹은 당신, 라면을 먹은 당신의 서로 다른 운명을 넘나들었습니다.우리는 이 기간 동안 당신을 때리는 모든 광자를 통과했고 당신과 우주 끝에 있는 모든 전자 사이의 상호 작용을 통과했습니다.우리가 관찰하는 전자의 위치를 ​​시스템이라고 하면 n개의 입자가 있습니다. 이 시스템을 구성합니다. 그중에서 m 입자의 상태는 전자를 왼쪽에서 관찰할지 오른쪽에서 관찰할지 실제로 결정합니다.그런 다음 m개의 입자를 제외한 모든 입자의 운명이 계산에 합산되었습니다.시간적으로는 실제 관찰하는 순간을 제외하고 과거든 미래든 상관없이 매 순간 모든 입자의 상태도 더해졌습니다.이러한 모든 계산이 완료되면 각 방향의 간섭이 거의 동일해지고 결과에서 제거됩니다.결국, 전자가 왼쪽에 있고 전자가 오른쪽에 있다는 것을 관찰하는 두 개의 조밀한 역사는 비간섭적이며 더 이상 서로 연결되어 있지 않으며 우리는 둘 중 하나만 느낄 수 있습니다. 그들을! 이것이 마법 같은 이야기처럼 들릴지 모르지만 이것은 실제로 최근 매우 인기를 얻은 양자 이론의 해석입니다!1984년에 Griffith가 이를 위한 길을 닦았고, 곧 1991년에 Hartle이 이를 확장하고 완성하기 시작했습니다.곧 Gell-Mann과 Omnes(Roland Omn's)가 대열에 합류했고, 이 뛰어난 물리학자들은 신속하게 이를 설득력 있는 시스템으로 전환했습니다.양자 이론의 의미를 더 깊이 이해하려면 이 아이디어를 더 자세히 조사해야 합니다. 둘 디코히어런스 역사(DH)의 설명에 따르면 우주의 역사를 충분히 세밀하게 나누면 사실 매 순간 동시에(일관된) 일어나는 많은 미세한 역사들이 존재한다.예를 들어, 관찰이 없을 때 전자는 분명히 왼쪽 슬릿을 통과하는 것과 오른쪽 슬릿을 동시에 통과하는 두 가지 이력을 경험합니다.그러나 일반적으로 말해서 우리는 지나치게 세분화된 역사에는 관심이 없으며 우리가 관찰할 수 있는 조악한 역사에만 관심이 있습니다.상호 결맞음(decoherence)으로 인해 이러한 역사는 연결을 잃어버리고 오직 하나만 우리에게 느껴질 수 있습니다. 히스토리 그레인의 두께에 따라 히스토리 트리를 생성할 수 있습니다.또는 퀀텀 리그를 예로 들어 리그에서 팀의 역사를 얼마나 거칠게 나눌 수 있습니까?아마도 우리는 그것을 두 가지 범주로 나눌 수 있을 것입니다: 리그 우승과 리그 타이틀을 얻지 못한 것입니다.이 매우 대략적인 수준에서 우리는 특별히 챔피언십 우승에만 관심이 있고 다른 것은 없으며 모두 계산에 추가됩니다.그러나 우리는 또한 계속 정확할 수 있습니다.예를 들어 챔피언십 우승의 분기에서 계속해서 두 가지로 나눌 수 있습니다: 승률이 50% 이상인 챔피언십 우승과 50을 초과하지 않는 챔피언십 우승 %.마찬가지로, 우리는 승리한 총 게임 수, 각 게임의 특정 결과 및 각 게임의 세부 점수까지 계속 나눌 수 있습니다.물론 현실에서는 누가 골을 넣었는지, 얼마나 많은 관중이 경기장에 왔는지, 그 중 빨간 옷을 입은 사람이 몇 명인지, 경기장에 풀이 몇 개나 자랐는지 등은 여전히 ​​세세한 부분까지 이어갈 수 있다.그러나 여기서는 게임의 가장 상세한 정보가 특정 점수라고 가정하고 더 이상 자세한 정보는 없습니다.이런 식으로 우리의 히스토리 트리는 더 이상 특정 점수로 나눌 수 없습니다.최하위 레이어는 최대로 세분화된 히스토리라고도 알려진 리프입니다. 두 잎의 경우 일반적으로 서로 관련이 있습니다.우리는 1:win과 2:win 기록을 명확하게 구분할 수 없으므로 전통적인 확률을 사용하여 계산할 수 없습니다.그러나 우리는 적절한 조잡함을 통해 상식에 부합하는 역사를 구성할 수 있습니다.이런 식으로 우리는 역사의 일관되지 않은 가족을 형성하는 전통적인 고전 확률을 사용하여 이러한 역사를 계산할 수 있으며 동일한 가족 내에서만 일반적인 합리적인 논리를 사용하여 처리할 수 있습니다.때때로 우리는 디코히어런스에 대해 이야기하지 않고 일관성 있는 역사 해석이라고 부릅니다. 많은 역사 이론. 일반적으로 히스토리 트리의 루트(위쪽)에 가까울수록 더 거칠고 간섭이 적습니다.물론 모든 대단위 이력이 간섭에서 자유롭고 전통적인 확률을 할당할 수 있는 것은 아닙니다. 특히 특정 일관성 조건이 충족되어야 하며 이러한 조건은 엄격하게 수학적으로 파생될 수 있습니다. 이제 슈뢰딩거의 고양이의 경우를 생각해 봅시다. 그 운명적인 원자가 붕괴할 때 원자 자체에 관한 한 붕괴/비붕괴의 두 가지 가능한 중요한 역사를 겪습니다.원자 자체는 개별 입자일 뿐이며 우리가 무시할 수 있는 것은 많지 않습니다.하지만 일단 고양이가 이 줄거리로 끌려가면 우리의 역사적 대본은 죽은 고양이/살아 있는 고양이로 대체되고 상황은 달라집니다!고양이가 죽었는지 고양이가 살아 있는지는 매우 모호한 진술입니다. 고양이를 묘사하는 데 10^27 입자가 필요합니다. 고양이가 살아 있다고 말할 때 우리는 고양이와 외부 세계 사이의 모든 상호 작용을 무시합니다. 그것으로 호흡하는 방법, 물질과 에너지를 외부 세계와 교환하는 방법 등.고양이가 죽더라도 그 위에 있는 n개의 입자는 여전히 외부 세계와 상호 작용해야 합니다.즉, 승리가 1:0, 2:0, 2:1 및 기타 역사의 합계인 것처럼 고양이의 삶과 고양이의 죽음은 실제로 역사의 두 범주의 합계입니다.우리가 죽은 고양이와 살아 있는 고양이 사이의 간섭을 계산할 때, 우리는 실제로 이 두 범주의 역사 아래 모든 정액 역사 쌍 사이의 간섭을 소진하고 대부분은 결국 상쇄됩니다.고양이의 죽음과 고양이의 삶 사이의 뗄래야 뗄 수 없는 연결이 끊어지고, 일관성이 없으며, 결국에는 그중 하나만이 실제로 발생합니다!밀도 행렬의 관점에서 문제를 보면 행렬의 대각선에 있는 고전적 확률을 제외하고 다른 간섭 항목이 빠르게 축소됨을 보여줍니다. 행렬이 대각선으로 표시됩니다!그리고 자발적인 무작위 현지화도, 외부 관찰자도, 보이지 않는 숨겨진 변수도 없습니다! DH 설명이 옳다면 우리는 실제로 매 순간 다중 역사를 경험하고 있으며 세계의 모든 입자는 실제로 모든 가능한 역사의 중첩에 있습니다!그러나 거시적인 물체에 관해서 우리가 관찰하고 기술할 수 있는 것은 조잡한 역사에 지나지 않으며, 세부 사항이 지워지면 이러한 역사는 일관성이 없고 영구적으로 손실됩니다.예를 들어, 고양이가 결국 살아 있다면 고양이의 죽음의 가지는 역사 나무에서 제외되며, 오컴의 면도날에 따르면 이러한 역사는 더 이상 우주에 존재하지 않는다고 말할 수 있습니다. 글쎄요, 이상하게 들릴지 몰라도 적어도 말이 되는 거죠, 그렇죠?거친 방법은 혼란스러워 보일 수 있지만 그다지 까다롭지 않으며 실제로 의식적이든 아니든 항상 사용합니다.예를 들어, 중학교 때 우리는 지구와 태양 사이의 중력을 계산했고 두 행성을 두 개의 입자로 거칠게 만들었습니다.사실 지구와 태양은 두 개의 거대한 구체인데, 모든 점을 질량 중심으로 대체하고 특정 위치를 무시한 후 실제로 우리는 두 구체 내부의 각 질량 점 쌍 사이의 거리를 무의식적으로 추가했습니다. .DH 해석에서 우리가 하는 일은 조금 더 복잡합니다. 수학적 관점에서 볼 때 DH는 잘 정의된 이론이며 철학적 관점에서 그 지지자들은 최소한의 가정과 물리적 현실을 가장 잘 반영한 이론이라고 주장하는 것을 상당히 자랑스럽게 생각합니다.그러나 DH의 삶은 광고만큼 쉽지 않습니다.이에 대한 가장 폭력적인 공격은 이전 장에서 언급한 GRW 이론의 창시자 중 한 명인 GianCarlo Ghirardi에게서 나옵니다.DH 이론이 만들어진 이후, 이탈리아인과 그의 동료들은 결맞음의 역사적 해석을 공격하는 다양한 물리학 저널에 적어도 5개의 논문을 발표했습니다. Ghirardi는 DH 해석이 전통적인 코펜하겐 해석보다 나을 것이 없다고 날카롭게 지적했습니다! 이미 설명했듯이 DH 해석의 틀 내에서 소위 일관성 조건 패밀리를 만족할 때 상호 일관성 없는 기록을 형성하는 일련의 대략적인 기록을 정의합니다.예를 들어, 우리 리그에서 특정 게임의 경우 승리, 무승부 및 패배는 합법적인 역사적 가족이며 서로 거의 연결되지 않기 때문에 둘 중 하나만 발생할 수 있습니다.그러나 수학에서 동일한 기술을 사용하여 합법적인 다른 역사적 가족도 정의할 수 있습니다!예를 들어, 우리는 반드시 승리와 패배의 관계에 주의를 기울일 필요는 없지만 득점한 골 수와 같은 다른 측면을 고려할 수 있습니다.이제 우리는 게임의 결과를 무득점, 1득점, 2득점, 2득점 이상으로 구분하는 또 다른 종류의 대략적인 세분화를 수행합니다.수학적으로 이 4개의 역사도 일관된 조건을 충족하며, 일관성 없는 역사의 또 다른 완전한 가족을 구성합니다! 이제 우리가 게임을 관찰할 때 우리가 얻는 결과는 선택한 역사 가족에 따라 다릅니다.같은 게임에서 우리는 승리를 관찰할 수 있지만 다른 각도에서 두 골이 득점되는 것을 관찰할 수도 있습니다.물론 그들 사이에 모순은 없지만 실제로 실제로 일어난 일에 대해 신중하게 생각하면 여전히 혼란 스럽습니다. 우리가 승리를 관찰할 때, 우리는 1:0, 2:1, 2:0, 3:0과 같이 그 아래에 있는 미세 입자의 모든 이력이 발생했다고 가정하지만, 우리는 그들이 특정 세분화된 결과에 관심이 없습니다.그러나 같은 게임에서 두 골이 득점된 것을 관찰할 수도 있습니다. 이때 우리는 두 골을 넣은 역사가 모두 일어났다고 가정합니다.2:0, 2:1, 2:2, 2:3 등 이제 우리는 어떤 종류의 미립자 역사를 고려합니다. 하나는 그러한 역사입니다.우리가 실제로 그러한 역사를 관찰한 적은 없지만, 이것이 우리가 다음과 같은 질문을 막는 것은 아닙니다. 1: 과거의 역사가 일어났습니까?관찰이 이겼을 때는 분명히 일어났고 관찰이 두 골을 넣었을 때 그것은 분명히 일어나지 않았습니다!그러나 우리는 같은 게임을 설명하고 있습니다! DH의 원래 의도는 교과서의 코펜하겐 설명을 전복하고 관찰자를 이론에서 몰아내어 물리적 세계를 객관적이고 실제적인 설명으로 되돌리는 것입니다.즉, 모든 물리적 특성은 당신과 나의 관찰을 초월하여 독립적으로 존재하며 주관적인 것으로 인해 변경되지 않습니다.하지만 이제 DH는 멍청한 것 같고 그가 콥티스를 먹는 데 고통을 받는지 알 수 없습니다.1: 중국의 역사가 사실인지에 대한 물리적 묘사는 객관적 존재가 아니라 역사적 가족의 선택에 달려 있습니다!이것은 Bohr 및 다른 사람들과 동일한 목표인 것 같습니다. 우주에는 순전히 객관적인 물리적 속성이 없으며 모든 속성은 특정 관찰 방법과만 연결될 수 있습니다! 그러나 DH 지지자들은 어떤 합리적 논리적 추론(reasoning)도 같은 일관되지 않은 가족 내에서만 사용할 수 있으며 가족 간에 사용할 수 없다고 변호했습니다.예를 들어 승리, 무승부, 패배의 역사에서 그러한 결론을 얻었을 때 그것을 다른 역사로 가져오지 말아야 합니다(예: 무득점, 1골, 2골, 2골 이상 득점). 그들 서로.그들은 양자 이론에서 가장 중요한 원리라고 선언한 단일 가족 규칙으로 이것을 요약했습니다. 이것을 제쳐두고 DH의 또 다른 문제는 이론상으로는 실제로 매우 다양한 비일관적인 가족이 있지만 실제로는 하나만 관찰된다는 것입니다!여전히 우리의 양자 리그를 예로 들어 단일 게임에 관한 한 우리는 일관되지 않은 가족을 이전에 정의했습니다. 즉, 승리, 무승부 및 패배입니다.이 가족에는 세 가지의 대략적인 역사가 포함되어 있으며 모두 서로 관련이 없습니다.이것은 전혀 나쁘지 않은 것처럼 보이지만 문제는 이기고, 비기고, 지는 것이 가능할 뿐만 아니라 무한한 다른 득점 방법이 있다는 것입니다. 대부분은 이상하고 상식에 맞지 않지만 Theory는 그렇지 않습니다. 이러한 다른 범주를 관찰하지 않는 이유를 설명하십시오! 예를 들어, 우리는 이론적으로 승패, 승패, 무승부라는 세 가지 이력을 정의합니다. 이 세 가지 이력은 또한 수학에서 합법적이고 완전한 디코히어런스 패밀리를 구성합니다. 이것들은 관찰되고, 다른 두 개는 관찰될 수 없습니다.그러나 분명히 현실적으로 게임에서 이기고 지는 것은 불가능하므로 DH는 우리에게 설명을 해야 합니다. 실제로 게임이 승패 대신 승패 대신 승패로 나뉘는 이유를 설명해야 합니다. 수학적으로 다르다! 이 문제에 대해 DH의 옹호자들은 이론이 실재의 작용을 설명할 의무가 있을 뿐 실재의 존재에 대해서는 설명할 의무가 없다고 말할 수 있습니다!우리는 이론에서 현실을 구축하는 것이 아니라 현실에서 이론을 구축하기 시작합니다!예를 들어, 소 한 마리 더하기 소 한 마리는 소 두 마리이고 스핑크스 한 마리 더하기 스핑크스 한 마리는 스핑크스 두 마리와 같다고 말하는 것은 수학적으로 참이지만, 수학은 현실 세계에서 그 이유를 설명할 의무가 없습니다. , 스핑크스와 같은 괴물이 아닙니다.이 점에서 실증주의자와 플라톤주의자는 종종 첨예한 갈등을 겪는다.끈 이론은 우리의 세계를 10차원으로 설명하는데 그 중 6차원은 말려 있습니다.그러나 실증주의자들은 종종 그러한 추구에 대해 궁금해합니다. 6차원 컬링을 가정해야만 우리가 관찰하는 현실 세계(실제 세계는 4차원)를 설명할 수 있기 때문에 그것으로 충분합니다. 그게 전부가 아닐까요?왜 그렇게 뿌리 깊은 질문이 많습니까? 그러나 DH 지지자들이 이러한 실증주의적 입장을 견지한다면, 가장 철저한 실증주의인 보어와 하이젠베르크의 코펜하겐 해석을 없애자는 이 이론을 정립한 당초의 의도를 일시적으로 무시할 수도 있다!어쨌든 이것에 대한 DH의 태도는 다소 부끄럽고 양자 역학에 대한 큰 논쟁은 여전히 ​​진행 중이며 우리는 여전히 누구의 견해가 정말로 옳은지 확신할 수 없습니다.양자 마법은 100년 이상 우리를 괴롭힌 후에도 여전히 가장 깊은 비밀을 세상에 밝히기를 거부합니다.아마도 이 비밀은 결국 영구적인 미스터리가 될 것입니다. 식후 잡담: 시간의 화살 우리는 3차원이 공간이고 1차원이 시간인 4차원 세계에 살고 있습니다.時間是一個很奇妙的東西，它似乎和另三維空間有著非常大的不同，最關鍵的一點是，它似乎是有方向性的！拿空間來說，各個方向沒有什麼區別，你可以朝左走，也可以向右走，但在時間上，你只能從過去向未來移動，而無法反過來！雖然有太多的科幻故事講述人們如何回到過去，但在現實中，這從來也沒有發生過，而且很可能永遠不會發生！這樣猜測的理由還是基於某種類似人擇原理的東西：假如理論上可以回到過去，那麼雖然我們不行，未來的人卻可以，但從未見到他們回來我們這個時代。所以很有可能的是，未來任何時代的人們都無法做到讓時鐘反方向轉動，它是理論上無法做到的！ 這看起來很正常，無法逆著時間箭頭運動，這似乎天經地義。但在物理上，這卻是令人困惑的，因為在理論中，似乎沒有什麼特徵可以顯示出時間有一個特別的方向。不論是牛頓還是愛因斯坦的理論，它們都是時間對稱的！中學老師告訴你t0時刻的狀態，你就可以向未來前進，推出tn時刻，但也可以反過來向過去前進，推出-tn時刻。理論沒有告訴我們為什麼時間只能向tn移動，而不可以反過來向-tn移動！事實上，在基本層面上，不管時間是正著走還是倒著走，它都是符合物理定律的！但是，一旦脫離基本層面，上升到一個比較高的層次，時間之矢卻神秘地出現了：假如我們不考慮單個粒子，而考慮許多粒子的組合，我們就發現一個強烈的方向。比如我們本身只能逐漸變老，而無法越來越年輕，杯子會打碎，但絕不會自動粘貼在一起。這些可以概括為一個非常強大的定律，即著名的熱力學第二定律，它說，一個孤立體系的混亂程度總是不斷增加的，它的量度稱為熵。換句話說，熵總是在變大，時間的箭頭指向熵變大的那個方向！ 現在我們考察量子論。在本節我們討論了DH解釋，所有的歷史都是定義得很好的，不管你什麼時候去測量，這些歷史從過去到未來都已經在那裡存在。我們可以問，當觀測了t0時刻後，歷史們將會如何退相干，但同樣合法的是，我們也可以觀測tn時刻，看之前的那些時刻如何退相干。實際上，當我們用路徑積分把時間加遍的時候，我們仍然沒有考慮過時間的方向問題，它在兩個方向上都是沒有區別的！再說，如果考察量子論的基本數學形式，那麼薛定諤方程本身也仍然是時間對稱的，唯一引起不對稱的是哥本哈根所謂的坍縮，難道時間的流逝，其實等價於波函數不停的坍縮？然而DH是不承認這種坍縮的，或許，我們應當考慮的是歷史樹的裁剪？蓋爾曼和哈特等人也試圖從DH中建立起一個自發的時間箭頭來，並將它運用到量子宇宙學中去。 我們先不去管DH，如果仔細考慮坍縮，還會出現一個奇怪現象：假如我們一直觀察系統，那麼它的波函數必然總是在坍縮，薛定諤波函數從來就沒有機會去發展和演化。這樣，它必定一直停留在初始狀態，看上去的效果相當於時間停滯了。也就是說，只要我們不停地觀察，波函數就不演化，時間就會不動！這個佯謬叫做量子芝諾效應（quantum Zeno effect），我們在前面已經討論過了芝諾的一個悖論，也就是阿喀琉斯追烏龜，他另有一個悖論是說，一支在空中飛行的箭，其實是不動的。為什麼呢？因為在每一個瞬間，我們拍一張snapshot，那麼這支箭在那一刻必定是不動的，所以一支飛行的箭，它等於千千萬萬個不動的組合。問題是，每一個瞬間它都不動，連起來怎麼可能變成動呢？所以飛行的箭必定是不動的！在我們的實驗裡也是一樣，每一刻波函數（因為觀察）都不發展，那麼連在一起它怎麼可能發展呢？所以它必定永不發展！ 從哲學角度來說我們可以對芝諾進行精采的分析，比如恩格斯漂亮地反駁說，每一刻的箭都處在不動與動的矛盾中，而真實的運動恰好是這種矛盾本身！不過我們不在意哲學探討，只在乎實驗證據。已經有相當多的實驗證實，當觀測頻繁到一定程度時，量子體系的確表現出芝諾效應。這是不是說，如果我們一直盯著薛定諤的貓看，則它永遠也不會死去呢？ 時間的方向是一個饒有趣味的話題，它很可能牽涉到深刻的物理定律，比如對稱性破缺的問題。在極早期宇宙的研究中，為了徹底弄明白時間之矢如何產生，我們也迫切需要一個好的量子引力理論，在後面我們會更詳細地講到這一點。我們只能向著未來，而不是過去前進，這的確是我們神奇的宇宙最不可思議的方面之一。 三 好了各位，到此為止，我們在量子世界的旅途已經接近尾聲。我們已經流覽了絕大多數重要的風景點，探索了大部分先人走過的道路。但是，正如我們已經強烈地感受到的那樣，對於每一條道路來說，雖然一路上都是峰迴路轉，奇境疊出，但越到後來卻都變得那樣地崎嶇不平，難以前進。雖說入之愈深，其進愈難，而其見愈奇，但精神和體力上的巨大疲憊到底打擊了我們的信心，阻止了我們在任何一條道上頑強地衝向終點。 當一次又一次地從不同的道路上徒勞而返之後，我們突然發現，自己已經處在一個巨大的迷宮中央。在我們的身邊，曲折的道路如同蛛網一般地輻射開來，每一條都通向一個幽深的不可捉摸的未來。我已經帶領大家去探討了哥本哈根、多宇宙、隱變數、系綜、GRW、退相干歷史等六條道路，但要告訴各位的是，仍然還有非常多的偏僻的小道，我們並沒有提及。比如有人認為當進行了一次觀測之後，宇宙沒有分裂，只有我們大腦的狀態（或者說精神）分裂了！這稱為多精神解釋（many-minds intepretation），它名副其實地算得上一種精神分裂症！還有人認為，在量子層面上我們必須放棄通常的邏輯（布林邏輯），而改用一種量子邏輯來陳述！另一些人不那麼激烈，他們覺得不必放棄通常的邏輯，但是通常的概率概念則必須修改，我們必須引入複的概率，也就是說概率並不是通常的0到1，而是必須描述為複數！華盛頓大學的物理學家克拉默（John G Cramer）建立了一種非定域的交易模型（The transactional model），而他在牛津的同行彭羅斯則認為波函數的縮減和引力有關。彭羅斯宣稱只要空間的曲率大於一個引力子的尺度，量子線性疊加規則就將失效，這裡面還牽涉到量子引力的複雜情況諸如物質在跌入黑洞時如何損失了資訊等等，諸如此類。即便是我們已經描述過的那些解釋，我們的史話所做的也只是掛一漏萬，只能給各位提供一點最基本的概念。事實上，每一種解釋都已經衍生出無數個變種，它們打著各自的旗號，都在不遺餘力地向世人推銷自己，這已經把我們搞得頭暈腦脹，不知所措了。現在，我們就像是被困在克里特島迷宮中的那位忒修斯（Theseus），還在茫然而不停地摸索，苦苦等待著阿里阿德涅（Ariadne）我們那位可愛的女郎把那個指引方向，命運攸關的線團扔到我們手中。 一九九七年，在馬里蘭大學巴爾的摩郡分校（UMBC）召開了一次關於量子力學的研討會。有人在與會者中間做了一次問卷調查，統計究竟他們相信哪一種關於量子論的解釋。結果是這樣的：哥本哈根解釋十三票，多宇宙八票，玻姆的隱變數四票，退相干歷史四票，自發定域理論（如GRW）一票，還有十八票都是說還沒有想好，或者是相信上述之外的某種解釋。到了一九九九年，在劍橋牛頓研究所舉行的一次量子計算會議上，又作了一次類似的調查，這次哥本哈根四票，修訂過的運動學理論（它們對薛定諤方程進行修正，比如GRW）四票，玻姆二票，而多世界（MWI）和多歷史（DH）加起來（它們都屬於那種認為沒有坍縮存在的理論）得到了令人驚奇的三十票。但更加令人驚奇的是，竟然有五十票之多承認自己尚無法作出抉擇。在宇宙學家和量子引力專家中，MWI受歡迎的程度要高一些，據統計有五十八％的人認為多世界是正確的理論，而只有十八％明確地認為它不正確。但其實許多人對於各種解釋究竟說了什麼是搞不太清楚的，比如人們往往弄不明白多世界和多歷史到底差別在哪裡，或許，它們本來就沒有明確的分界線。就算是相信哥本哈根的人，他們互相之間也會發生嚴重的分歧，甚至關於它到底是不是一個決定論的解釋也會造成爭吵。量子論仍然處在一個戰國紛爭的時代，玻爾，海森堡，愛因斯坦，薛定諤他們的背影雖然已經離我們遠去，但他們當年曾戰鬥過的這片戰場上仍然硝煙彌漫，他們不同的信念仍然支撐著新一代的物理學家，激勵著人們為了那個神聖的目標而繼續奮戰。 想想也真是諷刺，量子力學作為二十世紀物理史上最重要的成就之一，到今天為止它的基本數學形式已經被創立了將近整整八十年。它在每一個領域內都取得了巨大的成功，以致和相對論一起成為了支撐物理學的兩大支柱。八十年！任何一種事物如果經歷了這樣一段漫長時間的考驗後仍然屹立不倒，這已經足夠把它變成不朽的經典。歲月將把它磨礪成一個完美的成熟的體系，留給人們的只剩下深深的崇敬和無限的唏噓，慨歎自己為何不能生於亂世，提三尺劍立不世功名，參與到這個偉大工作中去。但量子論是如此地與眾不同，即使在它被創立了八十年之後，它仍然沒有被最後完成！人們仍在為了它而爭吵不休，為如何解釋它而鬧得焦頭爛額，這在物理史上可是前所未有的事情！想想牛頓力學，想想相對論，從來沒有人為了如何解釋它們而操心過，對比之下，這更加凸現出量子論那獨一無二的神秘氣質。 人們的確有理由感到奇怪，為什麼在如此漫長的歲月過去之後，我們不但沒有對量子論瞭解得更清楚，反而越來越感覺到它的奇特和不可思議。最傑出的量子論專家們各執一詞，人人都聲稱只有他的理解才是正確的，而別人都錯了。量子謎題已經成為物理學中一個最神秘和不可捉摸的部位，Zeilinger有一次說：我做實驗的唯一目的，就是給別的物理學家看看，量子論究竟有多奇怪。到目前為止，我們手裡已經攥下了超過一打的所謂解釋，而且它的數目仍然有望不斷地增加。很明顯，在這些花樣繁多的提議中間，除了一種以外，絕大多數都是錯誤的。甚至很可能，到目前為止所有的解釋都是錯誤的，但這卻並沒有妨礙物理學家們把它們創造出來！我們只能說，物理學家的想像力和創造力是非凡的，但這也引起了我們深深的憂慮：到底在多大程度上，物理理論如同人們所驕傲地宣稱的那樣，是對於大自然的深刻發現，而不屬於物理學家們傑出的智力發明？ 但從另外一方面看，我們對於量子論本身的確是沒有什麼好挑剔的。它的成功是如此巨大，以致於我們除了咋舌之外，根本就來不及對它的奇特之處有過多的評頭論足。從它被創立之初，它就挾著雷霆萬鈞的力量橫掃整個物理學，把每個角落都塑造得煥然一新。或許就像狄更斯說的那樣，這是最壞的時代，但也是最好的時代。 量子論的基本形式只是一個大的框架，它描述了單個粒子如何運動。但要描述在高能情況下，多粒子之間的相互作用時，我們就必定要涉及到場的作用，這就需要如同當年普朗克把能量成功地量子化一樣，把麥克斯韋的電磁場也進行大刀闊斧的量子化建立量子場論（quantum field theory）。這個過程是一個同樣令人激動的宏偉故事，如果鋪展開來敘述，勢必又是一篇規模龐大的史話，因此我們只是在這裡極簡單地作一些描述。這一工作由狄拉克開始，經由約爾當、海森堡、泡利和維格納的發展，很快人們就認識到：原來所有粒子都是彌漫在空間中的某種場，這些場有著不同的能量形態，而當能量最低時，這就是我們通常說的真空。因此真空其實只不過是粒子的一種不同形態（基態）而已，任何粒子都可以從中被創造出來，也可以互相湮滅。狄拉克的方程預言了所謂的反物質的存在，任何受過足夠科普薰陶的讀者對此都應該耳熟能詳：比如一個正常的氫原子由帶正電的質子和帶負電的電子組成，但在一個反氫原子中，質子卻帶著負電，而電子帶著正電！當一個原子和一個反原子相遇，它們就轟隆一聲放出大量的能量輻射，然後雙方同時消失得無影無蹤，其關係就符合二十世紀最有名的那個物理方程：E＝mc^2！ 最早的反電子由加州理工的安德森（Carl Anderson）於一九三二年在研究宇宙射線的時候發現。它的意義是如此重要，以致於僅僅過了四年，諾貝爾獎評委會就罕見地授予他這一科學界的最高榮譽。 但是，雖然關於輻射場的量子化理論在某些問題上是成功的，但麻煩很快就到來了。一九四七年，在《物理評論》上刊登了有關蘭姆移位和電子磁矩的實驗結果，這和現有的理論發生了微小的偏差，於是人們決定利用微擾辦法來重新計算準確的值。但是，算來算去，人們驚奇地發現，當他們想盡可能地追求準確，而加入所有的微擾項之後，最後的結果卻適得其反，它總是發散為無窮大！ 這可真是讓人沮喪的結果，理論算出了無窮大，總歸是一件荒謬的事情。為了消除這個無窮大，無數的物理學家們進行了艱苦卓絕，不屈不撓的鬥爭。這個陰影是如此難以驅散，如附骨之蛆一般地叫人頭痛，以至於在一段時間裡把物理學變成了一個讓人無比厭憎的學科。最後的解決方案是日本物理學家朝永振一郎、美國人施溫格（Julian S Schwiger）和戴森（Freeman Dyson），還有那位傳奇的費因曼所分別獨立完成的，被稱為重正化（renormalization）方法，具體的技術細節我們就不用理會了。雖然認為重正化牽強而不令人信服的科學家大有人在，但是採用這種手段把無窮大從理論中趕走之後，剩下的結果其準確程度令人吃驚得瞠目結舌：處理電子的量子電動力學（QED）在經過重正化的修正之後，在電子磁距的計算中竟然一直與實驗值符合到小數點之後第十一位！亙古以來都沒有哪個理論能夠做到這樣教人咋舌的事情。 實際上，量子電動力學常常被稱作人類有史以來最為精確的物理理論，如果不是實驗值經過反覆測算，這樣高精度的資料實在是讓人懷疑是不是存心偽造的。但巨大的勝利使得一切懷疑都最終迎刃而解，QED也最終作為量子場論一個最為悠久和成功的分支而為人們熟知。雖然最近彭羅斯聲稱說，由於對赫爾斯-泰勒脈衝星系統的觀測已經積累起了如此確鑿的關於引力波存在的證明，這實際上使得廣義相對論的精確度已經和實驗吻合到十的負十四次方，因此超越了QED（赫爾斯和泰勒獲得了一九九三年諾貝爾物理獎）。但無論如何，量子場論的成功是無人可以否認的。朝永振一郎，施溫格和費因曼也分享了一九六五年的諾貝爾物理獎。 拋開量子場論的勝利不談，量子論在物理界的幾乎每一個角落都激起激動人心的浪花，引發一連串美麗的漣漪。它深入固體物理之中，使我們對於固體機械和熱性質的認識產生了翻天覆地的變化，更打開了通向凝聚態物理這一嶄新世界的大門。在它的指引下，我們才真正認識了電流的傳導，使得對於半導體的研究成為可能，而最終帶領我們走向微電子學的建立。它駕臨分子物理領域，成功地解釋了化學鍵和軌道雜化，從而開創了量子化學學科。如今我們關於化學的幾乎一切知識，都建立在這個基礎之上。而材料科學在插上了量子論的雙翼之後，才真正展翅飛翔起來，開始深刻地影響社會的方方面面。在量子論的指引之下，我們認識了超導和超流，我們掌握了雷射技術，我們造出了電晶體和積體電路，為一整個新時代的來臨真正做好了準備。量子論讓我們得以一探原子內部那最為精細的奧秘，我們不但更加深刻地理解了電子和原子核之間的作用和關係，還進一步拆開原子核，領略到了大自然那更為令人驚歎的神奇。在浩瀚的星空之中，我們必須借助量子論才能把握恒星的命運會何去何從：當它們的燃料耗盡之後，它們會不可避免地向內坍縮，這時支撐起它們最後骨架的就是源自泡利不相容原理的一種簡並壓力。當電子簡並壓力足夠抵擋坍縮時，恒星就演化為白矮星。要是電子被征服，而要靠中子出來抵抗時，恒星就變為中子星。最後，如果一切防線都被突破，那麼它就不可避免地坍縮成一個黑洞。但即使黑洞也不是完全黑的，如果充分考慮量子不確定因素的影響，黑洞其實也會產生輻射而逐漸消失，這就是以其鼎鼎大名的發現者史蒂芬．霍金而命名的霍金蒸發過程。 當物質落入黑洞的時候，它所包含的資訊被完全吞噬了。因為按照定義，沒什麼能再從黑洞中逃出來，所以這些資訊其實是永久地喪失了。這樣一來，我們的決定論再一次遭到毀滅性的打擊：現在，即使是預測概率的薛定諤波函數本身，我們都無法確定地預測！因為宇宙波函數需要掌握所有物質的資訊，而這些資訊卻不斷地被黑洞所吞沒。霍金對此說了一句同樣有名的話：上帝不但擲骰子，他還把骰子擲到我們看不見的地方去！這個看不見的地方就是黑洞奇點。不過由於蒸發過程的發現，黑洞是否在蒸發後又把這些資訊重新吐出來呢？在這點上人們依舊爭論不休，它關係到我們的宇宙和骰子之間那深刻的內在關係。 最後，很有可能，我們對於宇宙終極命運的理解也離不開量子論。大爆炸的最初發生了什麼？是否存在奇點？在奇點處物理定律是否失效？因為在宇宙極早期，引力場是如此之強，以致量子效應不能忽略，我們必須採取有效的量子引力方法來處理。在採用了費因曼的路徑積分手段之後，哈特爾（就是提出DH的那個）和霍金提出了著名的無邊界假設：宇宙的起點並沒有一個明確的邊界，時間並不是一條從一點開始的射線，相反，它是複數的！時間就像我們地球的表面，並沒有一個地方可以稱之為起點。為了更好地理解這些問題，我們迫切地需要全新的量子宇宙學，需要量子論和相對論進一步強強聯手，在史話的後面我們還會講到這個事情。 量子論的出現徹底改變了世界的面貌，它比史上任何一種理論都引發了更多的技術革命。核能、電腦技術、新材料、能源技術、資訊技術這些都在根本上和量子論密切相關。牽強一點說，如果沒有足夠的關於弱相互作用力和晶體衍射的知識，DNA的雙螺旋結構也就不會被發現，分子生物學也就無法建立，也就沒有如今這般火熱的生物技術革命。再牽強一點說，沒有量子力學，也就沒有歐洲粒子物理中心（CERN），而沒有CERN，也就沒有互聯網的www服務，更沒有劃時代的網路革命，各位也就很可能看不到我們的史話，呵呵。 如果要評選二十世紀最為深刻地影響了人類社會的事件，那麼可以毫不誇張地說，這既不是兩次世界大戰，也不是共產主義運動的興衰，也不是聯合國的成立，或者女權運動，殖民主義的沒落，人類探索太空等等。它應該被授予量子力學及其相關理論的創立和發展。量子論深入我們生活的每一個角落，它的影響無處不在，觸手可得。許多人喜歡比較二十世紀齊名的兩大物理發現相對論和量子論究竟誰更偉大，從一個普遍的意義上來說這樣的比較是毫無意義的，所謂偉大往往不具有可比性，正如人們無聊地爭論李白還是杜甫，莫札特還是貝多芬，漢朝還是羅馬，貝利還是馬拉多納，Beatles還是滾石，阿甘還是肖申克但僅僅從實用性的角度而言，我們可以毫不猶豫地下結論說：是的，量子論比相對論更加有用。 也許我們仍然不能從哲學意義上去真正理解量子論，但它的進步意義依舊無可限量。雖然我們有時候還會偶爾懷念經典時代，懷念那些因果關係一絲不苟，宇宙的本質簡單易懂的日子，但這也已經更多地是一種懷舊情緒而已。正如電影《亂世佳人》的開頭不無深情地說：曾經有一片屬於騎士和棉花園的土地叫做老南方。在這個美麗的世界裡，紳士們最後一次風度翩翩地行禮，騎士們最後一次和漂亮的女伴們同行，人們最後一次見到主人和他們的奴隸。而如今這已經是一個只能從書本中去尋找的舊夢，一個隨風飄逝的文明。雖然有這樣的傷感，但人們依然還是會歌頌北方揚基們最後的勝利，因為我們從他們那裡得到更大的力量，更多的熱情，還有對於未來更執著的信心。 四 但量子論的道路仍未走到盡頭，雖然它已經負擔了太多的光榮和疑惑，但命運仍然註定了它要繼續影響物理學的將來。在經歷了無數的風雨之後，這一次，它面對的是一個前所未有強大的對手，也是最後的終極挑戰廣義相對論。 標準的薛定諤方程是非相對論化的，在它之中並沒有考慮到光速的上限。而這一工作最終由狄拉克完成，最後完成的量子場論實際上是量子力學和狹義相對論的聯合產物。當我們僅僅考慮電磁場的時候，我們得到的是量子電動力學，它可以處理電磁力的作用。大家在中學裡都知道電磁力：同性相斥，異性相吸，量子電動力學認為，這個力的本質是兩個粒子之間不停地交換光子的結果。兩個電子互相靠近並最終因為電磁力而彈開，這其中發生了什麼呢？原來兩個電子不停地在交換光子。想像兩個溜冰場上的人，他們不停地把一隻皮球拋來拋去，從一個人的手中扔到另一個人那裡，這樣一來他們必定離得越來越遠，似乎他們之間有一種斥力一樣。在電磁作用力中，這個皮球就是光子！那麼同性相吸是怎麼回事呢？你可以想像成兩個人背靠背站立，並不停地把球扔到對方面對的牆壁上再反彈到對方手裡。這樣就似乎有一種吸力使兩人緊緊靠在一起。 但是，當處理到原子核內部的事務時，我們面對的就不再是電磁作用力了！比如說一個氦原子核，它由兩個質子和兩個中子組成。中子不帶電，倒也沒有什麼，可兩個質子卻都帶著正電！如果說同性相斥，那麼它們應該互相彈開，而怎麼可能保持在一起呢？這顯然不是萬有引力互相吸引的結果，在如此小的質子之間，引力微弱得基本可以忽略不計，必定有一種更為強大的核力，比電磁力更強大，才可以把它們拉在一起不致分開。這種力叫做強相互作用力。 聰明的各位也許已經猜到了，既然有強相互作用力，必定相對地還有一種弱相互作用力，事實正是如此。弱作用力就是造成許多不穩定的粒子衰變的原因。這樣一來，我們的宇宙中就總共有著四種相互作用力：引力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力。它們各自為政，互不管轄，遵守著不同的理論規則。 但所有這些力的本質是什麼呢？是不是也如同電磁力那樣，是因為交換粒子而形成的？日本物理學家湯川秀樹他或許是日本最著名的科學家預言如此。在強相互作用力中，湯川認為這是因為核子交換一種新粒子介子（meson）而形成的。他所預言的介子不久就為安德森等人所發現，不過那卻是一種不同的介子，現在稱為μ子，它和湯川理論無關。湯川所預言的那種介子現在稱為π子，它最終在一九四七年為英國人鮑威爾（Cecil Frank Powell）在研究宇宙射線時所發現。湯川獲得了一九四九年的諾貝爾物理獎，而鮑威爾獲得了一九五○年的。對於強相互作用力的研究仍在繼續，人們把那些感受強相互作用力的核子稱為強子，比如質子、中子等。一九六四年，我們的蓋爾曼提出，所有的強子都可以進一步分割，這就是如今家喻戶曉的誇克模型。每個質子或中子都由三個誇克組成，每種誇克既有不同的味道，更有不同的顏色，在此基礎上人們發明了所謂的量子色動力學（QCD），來描述。誇克之間同樣通過交換粒子來維持作用力，這種被交換的粒子稱為膠子（gluon）。各位也許已經有些頭暈腦脹，我們就不進一步描述了。再說詳細描述基本粒子的模型需要太多的筆墨，引進太多的概念，但我們的史話所留下的篇幅已經不多，所以只能這樣簡單地一筆帶過。如果想更好地瞭解有關知識，蓋爾曼曾寫過一本通俗的讀物《誇克與美洲豹》，而偉大的阿西莫夫（Isaac Asimov）則有更多精采的論述，雖然時代已經不同，但許多作品卻仍然並不過時！ 強相互作用是交換介子，那麼弱相互作用呢？湯川秀樹同樣預言它必定也交換某種粒子，這種粒子被稱為中間玻色子。與強作用力所不同的是，弱相互作用力的理論形式看上去同電磁作用力非常相似，這使得人們開始懷疑，這兩種力實際上是不是就是同一種東西，只不過在不同的環境中表現得不盡相同而已？特別是當李政道與楊振寧提出了弱作用下宇稱不守恆之後，這一懷疑愈加強烈。終於到了六十年代，統一弱相互作用力和電磁力的工作由美國人格拉肖（Sheldon Glashow）、溫伯格（Steven Weinberg）和巴基斯坦人薩拉姆（Aldus Salam）所完成，他們的成果被稱為弱電統一理論，三人最終為此得到了一九七九年的諾貝爾獎。該理論所預言的三種中間玻色子（W＋，W－和Z0）到了八十年代被實驗所全部發現，更加證實了它的正確性。 物理學家們現在開始大大地興奮起來了：既然電磁力和弱作用力已經被證明是同一種東西，可以被一個相同的理論所描述，那麼我們又有什麼理由不去相信，所有的四種力其實都是同一種東西呢？所有的物理學家都相信，上帝大自然的創造者他老人家是愛好簡單的，他不會把我們的世界搞得複雜不堪，讓人搖頭嘆氣，他必定按照某一種標準的模式創造了這個宇宙！而我們要做的工作，就是把上帝所依據的這個藍圖找出來。這藍圖必定只有一份，而所有的物理現象，物理力都被涵蓋在這個設計之中！如果模仿《獨立宣言》中那著名的句子，物理學家完全願意宣稱： 我們認為這是不言而喻的事實：每一種力都是被相同地創造的。 We hold the truth to be self-evident, that all forces are created equal. 是啊，要是真有那麼一個理論，它可以描述所有的四種力，進而可以描述所有的物理現象，那該是怎樣一幅壯觀的場面啊！那樣一來，整個自然，整個物理就又重新歸於統一之中，就像史詩中所描寫的那個傳奇的黃金時代與偉大的經典帝國，任何人都無法抗拒這樣一種誘人的景象，仿佛一個新的偉大時代就在眼前。戎馬已備，戈矛已修，浩浩蕩蕩的大軍終於就要出發，去追尋那個失落已久的統一之夢。 現在，弱作用力和電磁力已經被合併了，下一個目標是強相互作用力，正如我們已經介紹的那樣，這塊地域目前為止被量子色動力學所統治著。但幸運地是，雖然兵鋒指處，形勢緊張嚴峻，大戰一觸即發，但兩國的君主卻多少有點血緣關係，這給和平統一留下了餘地：它們都是在量子場論的統一框架下完成的。一九五四年，楊振寧和米爾斯建立了規範場論，而吸取了對稱性破缺的思想之後，這使得理論中的某些沒有品質的粒子可以自發地獲得品質。正因為如此，中間玻色子和光子才得以被格拉肖等人包含在同一個框架內。而反觀量子色動力學，它本身就是模仿量子電動力學所建立的，連名字都模仿自後者！所不同的是光子不帶電荷，但膠子卻帶著顏色荷，但如果充分地考慮自發對稱破缺的規範場，將理論擴充為更大的單群，把膠子也拉進統一中來並非不可能。這樣的理論被驕傲地稱為大統一理論（Grand Unified Theory，GUT），它後來發展出了多個變種，但不管怎樣，其目標是一致的，那就是統一弱相互作用力、強相互作用力和電磁力三種力，把它們合併在一起，包含到同一個理論中去。不同的大統一理論預言了一些不同的物理現象，比如質子可能會衰變，比如存在著磁單極子，或者奇異弦，但可惜的是，到目前為止這些現象都還沒有得到確鑿的證實。退一步來說，由於理論中一些關鍵的部分比如希格斯玻色子的假設到目前為止都尚未在實驗中發現，甚至我們連粒子的標準模型也不能一百％地肯定正確。但無論如何，大統一理論是非常有前途的理論，人們也有理由相信它終將達到它的目標。 可是，雖然號稱大統一，這樣的稱號卻依舊是名不副實的。就算大統一理論得到了證實，天下卻仍未統一，四海仍未一靖。人們怎麼可以遺漏了那塊遼闊的沃土引力呢？GUT即使登基，他的權力仍舊是不完整的，對於引力，他仍舊鞭長莫及。天無二日民無二君，雄心勃勃的物理學家們早就把眼光放到了引力身上，即使他們