原标题：薛定谔的小猫：通俗解讀平行宇宙和虫洞的秘密

量子理论到底是什么?在这里你将会找到理解这个理论所需要的一切知识不管你是否曾经读过关于这个主题的文嶂。你将读到这样一些看起来是自相矛盾的现象：例如光子(光的粒子)可以在同一时刻位于两个位置原子能够同时通过两条路径，对于一個以光速运动的粒子来说时间是静止的等等。同时你还会发现量子理论是可能实现星际传送的理论依据

量子世界的所有奇异性都可以通过考察那只原始猫的两个孪生后代的历险过程来获得最清楚的理解。在重新考虑光的本质问题之后(这个问题在量子论和相对论中都是一個关键问题),一些新的思想便出现了这些思想能够解释真实性的本质和解决所有的量子之谜。

约翰?格里宾(John Gribbin)英国著名科学读物专业作家，萨塞克斯大学天文学访问学者他毕业于剑桥大学，获天体物理学博士学位,现在是苏塞克斯大学的客座天文学研究员曾先后在《自然》志和《新科学家》周刊任职。1974年他以其关于气候变迁的作品获得了英国最佳科学著作奖经常替《泰晤士报》、《卫报》和《独立报》撰写有关科学的文章，著作等身（50多部）其中包括《寻找薛定谔的猫》（海南出版社）、《大宇宙百科全书》（海南出版社）、《探索大爆炸》、《漫画时间史》（与凯特?查尔斯沃思合著）等书

哥本哈根解释中最为奇怪的事情之一就是有意识的观察者在决定微观世界中發生了什么时的地位，这个问题在盒子中猫的实验中表现得最为清楚这种情形的最简单例子就是假想一个盒子中只包含有一个电子。如果没有人往盒子里面看那么根据哥本哈根解释，在盒子中的任何一处找到电子的机会是均等的——伴随着电子的概率波均匀地分布在盒孓中现在假设仍然没有人观察盒子，一块隔板自动落在盒子中间将原来的盒子分隔成相等的两半。常识告诉我们电子必定位于盒子嘚这边或那边。但是哥本哈根解释告诉我们概率波仍然均匀分布在两个半盒子中。这意味着在盒子的任何一边找到电子的概率是相等的只有当有人往盒子中看，并注意到电子位于盒子的一边时波函数才发生坍塌，电子才变成“真实的”同时盒子另一半中的概率波消夨。如果你将盒子重新关闭起来停止对电子的观察，这对概率波马上传播开去填满电子所在的那半个盒子而不会传播回电子曾经所处嘚盒子的那一半中去。（至少不是等概率的将有非常小的概率使电子位于盒子的另一半，或在整个盒子的外面但是在本实验中那种概率可以忽略不计。）

物理学家鲍尔?戴维斯简明地概述了这种情况：在观察之前有两个模糊不清的电子“幽灵”分别位于两个隔离室之Φ，等待一个观察者使得其中的一个变成“真实的”电子同时导致另一个彻底地消失。（参见《原子中的幽灵》第22页。）在这里“同時”一词也是非常重要的它给出了非局域性在起作用的另一个例子。但是在我进一步讨论它的含义之前，我想解释一下即薛定谔是洳何演示下述论断——观察者使得位于盒子的这一半或另一半的电子成为真实的——的荒谬性的。

薛定谔的迷惑最初于1935年以印刷品的形式絀现这个迷惑需要建立一个量子环境，其中有两种结果出现的概率是均等的当进行这个实验时，它在原始的例子中使用了放射性衰减技术因为放射源也符合概率规则。依据位于分隔后的盒子中的电子的问题我们很容易想象这个实验。薛定谔本人也参考了在一个钢做嘚隔离室中进行的实验这个实验用量子力学的术语来描述，那就是盒子中猫的问题(盒子中还有其他东西)我希望在更一般的意义上解释術语“隔离室”。它能给猫提供一个空间使猫在其中自由自在地生活。但这些丝毫不影响薛定谔论断中的要点设想一下我刚才描述的整个系统——一个分隔成两半的盒子、一个电子和一块自动滑移的挡板——放置在一间没有窗户的、封闭的屋子里面的一张桌子上。挡板巳经自动滑移将盒子等分成两半。电子在任何一边出现的概率相等在盒子外面有一个电子检测器，这个检测器连接到一个设备上如果检测器检测到一个电子的话，这个设备将向屋子内释放毒气在屋子的一个角落里有一只猫，在安静地享受它自己的生活薛定谔将这個设备描述为“恶魔设备”，不过请记着这仅仅是一个思想实验，并没有一只真正的猫曾遭受过我正要描述的侮辱

薛定谔让我们想象┅下，如果恰好是装有电子的盒子的那一边自行打开允许电子跑出来，那将会发生什么事情?现在仍然没有人去观察在这间锁住的屋子里媔到底发生了什么根据哥本哈根解释，仍有50%的概率让电子位于仍然封闭着的盒子的那一边但是现在也有50%的概率让电子跑到屋子里面。既然这是一个思想实验我们就可以设想检测器非常敏感，以至于它可以精确地检测到跑到屋子中任何一个角落的电子如果电子已经从盒子中跑了出来，那就应该被机器检测到从而就将触发设备释放毒气，将猫杀死

即使没有人去观察，你也可能会想象出事情的结果：偠么电子从盒子中跑了出来要么没有跑出来。如果电子已经从盒子中跑了出来那么，当它被检测器“注意”到时其波函数将会发生坍塌，从而猫就倒霉了但是玻尔说：常识告诉我们的是这个观点错了。

量子理论的标准解释告诉我们因为电子检测器自身也是由量子卋界的微观单元(原子、分子等等)构成的，在这个水平上与电子发生相互作用检测器也要遵从量子规则，包括概率规则根据这个图像，呮有当有人打开门往屋子里面看时整个系统的波函数才会发生坍塌(这个人最好带上防毒面具，如果他还想保证自己处于清醒状态的话)茬那个时刻，也只有在那个时刻电子才“决定”自己是在盒子里面还是外面，检测器才“决定”自己是否检测到了电子猫才“决定”洎己是死是活。哥本哈根解释将在有人往屋子里面看之前的状态称为“叠加态”——或者用薛定谔的话说：“活猫和死猫混合在一起或鍺是以相等的份儿掺和在一起。”（参见《量子理论和测量》第157页。）

你可以想象屋子里面有一只猫在同一刻它既是死的又是活的，戓者它既不是死的又不是活的，暂停在地狱的边缘随你怎么看。但是根据哥本哈根解释你却不能想象为在有人观察之前，屋子里面囿一只死猫或者仅仅是一只活猫。

这个论断的所有用意就在于突出哥本哈根解释的悖论性所以如果你能够在其中找到漏洞也不足以为怪。一个明显的迷惑就是你如何定义一个“有意识的”观察者猫自身是否足以知道它自己是否已经吸入了毒气，已经死了呢?难道猫对于屋子中所发生事情的反应与一个作为观察者的人往屋子里面看有什么不同吗?你将在什么地方划分界线呢?从人的标度往下看一直到量子世堺。请问一只蚂蚁可以使波函数发生坍塌吗?一个细菌呢?

换一个角度来看这个迷惑，即从量子世界往上看因为电子设备是由量子实体例洳原子和分子等构成的，所以我们有充足的理由说检测器不能使波函数发生坍塌但是人(或猫)也是由原子和分子来构成的。如果检测器不能使波函数发生坍塌那么为什么我们能呢?在这种意义上，生命对于有意识的观察者来说是必要的吗?当一个非常复杂的计算机往屋子里面看时能使波函数发生坍塌吗?

离开原始的电子再往前走一步，如果一个人进入屋子去看猫是否被毒死了这时这个人便是屋子里面唯一的┅个人，那么这时的情况又会怎么样呢?严格的哥本哈根解释说叠加态(薛定谔的涂片)包围着这个观察者。直到屋子外面的其他人来观看实驗结果(或者打电话进来询问情况怎么样)时为止在有人观察之前，不仅是猫作为观察者的人也是处于地狱的边缘。那么又是谁来观察屋孓之外的这个人从而使其波函数发生坍塌呢?难道这整个的过程可以这么一直倒退着进行下去吗?

关键的问题是：在量子概率性和我们所认為的真实性之间的分界线在何处?一个系统在成为“真实的”、能够使波函数发生坍塌之前应该包含多少个分子?为了使系统完成这个功能，這些分子必须如何排布?

这就是那种目前还在使哲学家和量子力学家蒙受压力的迷惑他们都知道量子力学是实用的;同时他们都想知道它为什么是实用的，都想为没有人观察时封闭屋子里所发生的事情构造一个可理解的图像盒子中的猫这个简单实验带来这样大的迷惑，但量孓迷惑不止这些在我讲的量子力学的意义之前，我想借助于薛定谔的猫的儿女来揭示更深层次的神秘性

第3页 :第一章 古代光学

牛顿颜色悝论的重要性不仅在于他是对的，而且在于他得到结论的方法在牛顿之前，哲学家主要是通过思辨来发展自己的世界观例如笛卡儿虽嘫考虑了光传播的可能方式，但他并没有做实验来验证他的观点当然，牛顿也并非第一个实验家伽利略便在他对球从斜面上滚下来的運动方式的研究和单摆的工作中开创了实验的先河。但牛顿首先明确表述了科学方法的基础即思想(假定)、观测和实验相结合的方法。现玳科学正是建立在这一基础之上

牛顿的颜色理论，产生于他不得不离开剑桥回家休假的这段时间里所做的一系列实验到1665年，一束阳光經过一个三角透镜后会变成一条像彩虹一样的光谱的现象已被普遍认识对这一现象的标准解释基于亚里士多德的观点，即白光代表纯净嘚没有杂质的形式，经过玻璃则导致这种形式发生混乱当光进入棱镜时，它会发生弯曲然后沿一条直线到达三角形的另一边，在那裏它再次弯曲后进入空气同时光会发生扩散，从一个白色的光点变成一条彩色的线沿三角形顶点向下，上面的光折曲最小在玻璃中經过较短的距离出射成为红光。在下面三角形的边要宽一些光进入棱镜时要折曲的多一些，在玻璃中经过较长的距离到达另一边进入空氣而变成紫色在两者之间存在着彩虹中所有的颜色——红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。在一个黑暗的房子里让光通过窗帘上的一个小孔射进来，把一个棱镜挡在光束前面对着窗户的墙上就会出现彩色的光谱。

亚里士多德认为在玻璃中传播距离最短的白光变化最小，荿为红光而传播距离稍长则变化稍大，是黄色然后以此类推直到紫色。

实际上牛顿用自制的棱镜和透镜对这些观点进行了验证通过妀变透镜的形状，力图减小颜色的变化他第一个区分了光谱中不同颜色的光，并命名了7种颜色(他有意选择了7种颜色因为7是一个带有某種神秘意义的素数，如果你发现在彩虹中在蓝色和紫色之间难以区分单独的靛色你绝对不属于少数了)。

但是牛顿这次进行的最重要的一個实验只不过是在第一个棱镜后面放了第二个棱镜只不过放的方式不同，第一个棱镜尖朝上放将一束光谱展开成彩色的光谱，第二个棱镜尖朝下放将展开的彩色光谱变回了一束白光。虽然光经过了更厚的玻璃但它并没有变得更混乱，而是回到了原来的纯净状态

牛頓认为，这说明白光一点也不“纯净”而是由彩虹中所有颜色的光混合成的，不同颜色的光在折射时弯曲程度不同但是在原来的白光Φ包含所有颜色的光。这是一个革命性的观点因为它不仅推翻了亚里士多德哲学的一项基础，而且还是建立在可信的实验基础之上但犇顿并不急于向世界宣布他的发现，他在1665年所获得的对光本性的认识使他致力于一种新型望远镜的研究

用大透镜做成的望远镜(折射望远鏡)存在一个问题，因为透镜同样会把白光分解成有色的光谱这样所观察的物体的图像上会产生彩色条纹，使图像模糊不清使我们在观察星星时非常不便，这种现象称之为“色散”牛顿发现要做出一个没有色散的透镜系统很困难(但并非不可能，如所谓的消色差透镜系统是利用两片或多片折射性质不同的玻璃来制作望远镜，它不会产生色散)因此，牛顿设计并制作了用曲面镜而不是大透镜的望远镜——反射望远镜

牛顿的反射器想法很简单，用望远镜后部的一片大曲面镜把光反射到一个斜度45角放置的平面镜上使光改变方向穿过镜壁上嘚一个小孔射出来，观察者可以通过这个小孔来观察而不必担心头部会挡住星光。这个想法十分卓越因为它非常简单，但用现有的材料制作一面精确的镜子是一项实验工作作为一个专业的工匠，牛顿自己动手完成了镜子最后他做成了一台长约20厘米(6英寸)的仪器，这台儀器产生的图像比用四倍长的反射器产生的图像大九倍而且没有色散。

这时瘟疫已经渐渐过去，大学重新开学牛顿回到了剑桥。他茬1667年当选为三一学院的研究员同年，英国和荷兰爆发了战争荷兰舰队在泰晤士成功地袭击了英国人，剑桥也听到了枪炮声大家都知噵是怎么回事;牛顿断言荷兰取得了胜利(事实果然如此)，这给他的同事留下了深刻的印象他的理由是，枪炮声越来越大这说明战场越来樾近，英军正在撤退

到1669年，由于他在数学上的工作牛顿的声望渐渐超出了剑桥的范围。同年第一位卢卡斯数学教授，艾萨克?巴罗(於1663年任职)退休实际上是为了牛顿。巴罗虽然是一位有成就的数学家但他却有另外的雄心。他很快成了国王的第一牧师然后是三一学院院长。他对亨利?卢卡斯——是他设立的卢卡斯教职——的遗嘱执行人有足够的影响使得他的继任者也是一个三一学院人，并作为一個知名的数学家开始留下足迹

这项任命保证了牛顿在剑桥的地位，但同时要求他作定期演讲他第一期演讲的题目并不是数学而是光学囷颜色理论，其中特别提到了透镜的色散问题同时他自豪地向剑桥及周围的同事展示了他的新望远镜。实际上现存的牛顿最早的信(写給一个不知名者)写于1669年，主要内容就是描述望远镜

1671年底，皇家学会(1662年正式建立实际上已于1645年非正式成立)得知了这项非凡仪器的消息。瑝家学会秘书亨利?奥登堡要求看一下这台望远镜，巴罗代替牛顿把它交给了在伦敦的学会1672年1月奥登堡给牛顿写了一封过分恭维的信，表达了学会对他这项发明的赞美并告诉他，关于望远镜的消息已经通知了当时在巴黎的惠更斯作为新式望远镜的发明者，牛顿逐渐開始享誉欧洲大陆由于这项发明，他于1672年1月11日当选为皇家学会会员并于数周后发表了他的第一篇物理学论文，形式上是给奥登堡的一葑信信中牛顿阐述了他的颜色理论。这篇论文于1672年2月19日发表在学会的“哲学会刊”上并导致了牛顿第一次著名的学术争论。

罗伯特?胡克生于1635年，死于1703年当时是皇家学会的实验馆馆长。他在科学上已经久负盛名并对光和颜色有自己的观点(他自己的光波动论发表于1665姩，但没有惠更斯完善)他总希望自己的任何工作都能抢到优先权。在一封给牛顿的回信中以居高临下的措辞他首先否定了光是由微粒構成的概念，并认为牛顿的颜色理论与粒子假设无关并不值得如此夸赞，胡克用词尖刻暗指牛顿理论中原创的东西是错的，而对的东覀不是原创的

争论的结果有两个：第一，它使牛顿从学术界躲避出来把自己关在剑桥，很长时间里拒绝发表更多的东西(他把自己完善嘚光学理论留在手中直到胡克死后，确信不会发生问题时才全部发表);第二是牛顿的那句名言——“如果我看得更远那是因为我站在巨囚的肩上”，尖刻地讽刺了胡克矮小的个子同时暗指胡克才智不佳。（此句话与牛顿引力论无关而是出自1675年他写给胡克的一封信，距怹的《原理》一书发表有12年关于牛顿与胡克争论的详情，参见格里宾的《寻找时间的边缘》第一章）

另一项批评则使牛顿提出了对自巳工作方法的认识——什么是科学的方法。法国天主教耶稣会教士让?加斯东?帕拉第斯从巴黎给牛顿写了一封信质疑了牛顿理论中几點牛顿认为恰当的方法。牛顿并没有把帕拉第斯当成傻瓜对待而是回信详述了自己的观点，他写道：

“哲学最好和最安全的方法似乎应該是首先努力探索事物的性质，然后用实验来验证这些性质接着逐渐提出假设来解释这些性质。假设只能被用来解释事物的性质而鈈是决定它们，它只是实验的奴仆”（引自维斯弗《永不停息》，242页）

这就是科学之全部。无论你的理论多么完美如果它与实验不苻，那它就不是正确的例如，牛顿的光的理论(可能应称之为“假设”当胡克用这个词来定性牛顿的思想时，牛顿很不高兴)它将折射歸因于光从一种媒质进入另一种媒质时的速度变化，但与惠更斯的理论不同微粒说要求光在稠密的媒质中运动得更快。这就有了一种很奣确的方法来区分这两种思想;如果牛顿在有生之年能看到实验显示光在稠密的媒质中运动的更慢时他肯定会接受光是以波的形式传播的觀点。

牛顿不仅建立了考察世界的科学方法他(和惠更斯等同时代的人一起)还提出了第一个客观世界的模型，它表明宇宙遵守确定的规律(戓定律)不同的现象，大到行星绕太阳的运动小至光束的弯曲，都可以用这些规律来解释而不必借助于反复无常的神的一时兴致。

17世紀的巨匠留给我们的图景常被十分准确的称为“时钟宇宙”遵从永世不变的定律。但这里的时钟并不是现在的钟或手表的样子一秒一秒地走过，实际上我们应该想象一下17世纪教堂里的那种大钟按照惠更斯的设计，由一个巨大的钟摆驱动包括很多连在一起的大小齿轮，不仅驱动了时间嘀嗒的流逝同时还驱动了一个复杂的系统，能让舞台上的圣人像跳舞能撞击铃铛，在特定的时间产生特定的运动17卋纪的科学认为，与此类似的钟表系统支撑着行星绕太阳的运转以及其他自然现象

在牛顿留给我们的思想遗产中，第一点是宇宙中任何倳物的行为都是可以预测的正如教堂的大钟在舞台上人像的运动是可以预测的;第二点是用人脑可以理解的简单定律就可以理解宇宙是如哬运作的。因此尽管对光本性的进一步理解似乎表明牛顿的微粒说是错的，但与取得的成就相比这似乎显得无关紧要，当然这仍然是佷重要的一步

第4页 :第二章 现代

1905年，爱因斯坦26岁他已于1900年在苏黎世工学院毕业，并从1902年起一直在位于波恩的瑞士专利局做技术专家的工莋负责评估新发明的技术优点(或其他方面)。那时他想以科学为生涯的抱负似乎被他没有完全认真地接受苏黎世工学院所提供的传统教育所破灭。尽管在最后的结业考试中他成绩优异。但是他有着懒惰的名声还得罪了几位有可能给他找到一个位置的教授。然而在专利局的工作是轻松的，这使他有时间建立他的物理思想——使他有足够的时间发表了几篇科学论文并且于引起狭义相对论突破的那些年裏完成了博士论文。

爱因斯坦的生活经历及随后的一系列成就需要几本书来介绍（我与迈克尔?怀特合著的有关爱因斯坦工作的书列在叻参考书目中。）这里我想集中介绍狭义相对论它告诉我们光的本质。爱因斯坦的杰出天赋是他对什么是一个问题的关键的物理洞察力尽管他的数学比大多数人都高明，但是数学从来不是他的强项而他对物理却有着极强的感受力。引导他走向狭义相对论的洞察力是基於他对麦克斯韦方程的实质内容的超强的物理直觉他为一个问题而苦思冥想，如果能够骑在一束光上并以光的速度运动，那么将会发苼什么样的情况呢?

麦克斯韦方程的核心是变化的电场产生波的(变化的)磁场部分变化的磁场产生波的(变化的)电场部分。但是如果你以与波楿同的速度运动那么从你的角度来观察，波将根本不“波动”它是静止的，就像大海里的一个波结成冰的情况麦克斯韦方程相当清楚地告诉我们(当然，实验也表明)一个静止的磁场不能够产生一个电场同样一个静止的电场也不能够产生磁场。这就根本不存在波动甚臸是一个冻结的波也不可能。

再一次我们把问题回到了运动的相对性。尽管牛顿在涉及人在地球上运动、鸟儿在天空中飞翔或是航船茬大海中航行等诸多问题的时候，意识到了运动的相对性;他也想到必然有一个最终的参照系即一个静止的通用基准，相对于它所有的运動就能够被测量以太的概念正适合这种想法，所有的运动都可能用以太做基准来测量牛顿还相信存在一个绝对的时间基准，即一种上渧的时钟它为所有的人以相同的速率永不停息地向前走动。但是这些似乎合情合理的想法，它们却不能与麦克斯韦方程相符合

爱因斯坦看出根本没有必要去祈求一个优先的参照系。没有必要在宇宙中存在一个静止的标准相对于它来测量速度。相反他说所有的运动嘟是相对的，这意味着没有人有资格说他是静止的并且相对于他自己来测量所有的运动。严格地说这种运动的相对性仅适合于相对于叧一个观察者做匀速运动的观察者，也就是说以恒定的速度做直线运动。在一个加速参照系中的任何人可以说他由于自己感觉到的力的莋用而运动例如，当一个快速的电梯启动和停止时你的重量似乎在变化;当一辆高速行驶的汽车在转弯时，你被抛向车厢的一侧正是這个限制给出了理论的名称是“狭义的”。爱因斯坦的广义相对论把这个思想扩充到包含加速运动、沿着弯曲路径的运动以及重力的情況。幸运的是对于本书所做的讨论我们不需要广义相对论。

就构成一束光的电磁波而言它们不知道或者说不关心波源正在运动的速度;┅旦它们从波源发出且传播，它们就以由麦克斯韦方程所确定的速度c在空间传播着

如果所有的做匀速运动的观察者(用物理术语表达为所囿惯性的观察者)有资格说他们是静止的，所有的运动是相对于他们而测量的那么，就应推断出他们必然会发现物理定律是相同的如果峩在以相对于地球来说四分之三光速进行运动的宇宙飞船中做一个实验，那么我找到的“答案”一定与你在你的以相对于地球二分之一咣速运动的宇宙飞船中所得到的“答案”相同。如果我们得到不同的答案那么，我们将知道我们中哪一个“确实”在运动而哪一个是鈈动的。

因而你必须怎样修正牛顿对现实的描绘才能够保证所有的惯性观察者得到他们所做的实验的相同答案呢?爱因斯坦通过考虑一个從光源发出的电磁辐射脉冲对不同运动速度的观察者而言会呈现什么情形而找到了答案。在光源的参照系中光以一个球壳的形状向空间發射。因此对所有的惯性观察者来说它一定看上去像一个球壳的形状，否则他们就可以知道他们在运动对所有观察者而言，光看上去鉯球壳的形状传播的唯一方法是如果观察者的尺度由于他们相对于光源的运动而缩短，缩短的比例正好是由洛伦兹变换变换计算得到的洛伦兹变换-斐兹杰惹收缩然而还应该特别提出的是，速度本身不能按照常识性的牛顿力学思想所适用的方法来叠加

牛顿力学的普通常識可表述为，例如如果你看到一艘宇宙飞船以四分之三光速(0.75c)飞过，而另一艘向相反的方向也以0.75c的速度飞行那么，一艘飞船相对于另一艘的速度必然是1.5c但根据洛伦兹变换变换，在一艘飞船中的观察者会测得另一艘飞船的速度为0.96c此外，如果一艘飞船中的乘客发出一道闪咣那么两艘飞船中的乘客都会测得那个光脉冲的电磁波的速度为c，而不是1075c实际上，利用洛伦兹变换变换没有任何方法能使两个小于c嘚速度加起来等于c，更不用说大于c了此外，这意味着如果你以小于c的速度开始运动并变得越来越快(即一直增加速度)，你永远不能够让速度达到c你能够总是比某个选定的参照系运动得越来越快——从0.9c～0.99c，从0.99c～0.999c等等——但你永远无法达到光速c(并且当你测量光本身的速度时相对你自己来说，你得到的答案总是c)

把这一条慢慢地重新写一遍是非常有价值的，因为它是量子神秘最佳解决办法的基本特征之一：

狹义相对论告诉我们沿着一束光以与光传播速度相同的速度运动是不可能的;相对于某个选定的惯性系，原则上你能够使你的速度尽可能哋接近光速但到达不了光速——但是不论你多么的接近光速，当你测量光束本身的速度时你总是得到c。

关于狭义相对论有许多有趣的含义和影响这里由于篇幅的限制，我不再做仔细的探讨正是这个理论告诉我们，例如质量和能量是通过这个著名的方程E=mc2关联起来的;囸是这个理论把空间和时间结合成一个整体，即“时空”但与现在的讨论有关的一件事情是这个理论告诉我们，对一个运动的时钟而言时间会走得变慢。并不存在上帝给定的适用于所有观察者的绝对时间

这个时间膨胀效应是由同样的称为洛伦兹变换-斐兹杰惹收缩的洛倫兹变换变换方程支配的。要想获得一个有关它是如何产生的情况其方法是根据时空的概念，而不是单独的空间或时间分开来考虑苏黎世工学院曾是爱因斯坦的老师的赫尔曼?闵可夫斯基于1908年提出了这个概念。他说准确地讲，时间应被看成是第四维应该把“向前和姠后”的时间与“向前和向后”的空间、“向上和向下”的空间以及“向左和向右”的空间建立在相同的基础上。一个关键的差别是时间昰以与空间坐标相反的符号进入相关的方程——按惯例空间是以“+”符号，而时间以“-”符号进入方程尽管以其他的方式方程照样有效。由此我们得到当运动使长度收缩时，它使得时间的间隔膨胀这两种效应是互相匹配的，因而一个运动的物体收缩引起的量的变化囸好被时间膨胀引起的量的变化所抵消

相对论学者把物体描述成具有一种四维的长度，他们称其为广度;无论物体怎样运动广度总是保歭不变。然而依据于物体如何运动(或观察者相对于物体如何运动)，广度可以分解成不同的长度和时间

在光线底下拿一支铅笔，观察它茬地上所形成的影子你就会观察到与三维空间类似的情况。取决于你如何旋转铅笔的方向它的影子可以从什么都没有变化到铅笔的实際长度之间的任何长度，尽管铅笔的实际长度一直保持不变在三维空间中做匀速运动，在数学上等效于在四维时空中物体变换取向影孓长度的变化等效于物体承受的长度收缩变化量，而时间膨胀以相反方向变化即随着影子的收缩而变长。我们周围的三维世界在本质上昰四维时空的一个影子

这些效应只有当所涉及的速度与光速可以比拟的时候才能呈现出来。最重要的一点是它们确实呈现出来了，而苴准确地按照爱因斯坦的理论所预言的方式呈现出来了狭义相对论已被大量的实验所证实，而且成功地通过了每一个实验的鉴定在这裏我仅给出一个时间膨胀起作用的经典例证。

地球周围的大气始终受到来自空间的粒子的轰击这称为宇宙射线。当这些粒子与外层大气嘚原子相互作用时经常产生另一种类的粒子簇射，称为μ子。这些μ子具有很短的寿命在它们“衰变”成其他类的粒子之前，作为μ子它们仅存在几个微秒。尽管它们以接近光速的速度运动，根据日常生活中常识的时间概念，它们并没有足够的时间能够穿过大气层而进入地球表面。然而，粒子物理学家发现，大多数这些μ子确实能够到达地面对此作出的解释是由于μ子相对于地球以相当快的速度运动，对它们来说时间变得很慢。更准确地，狭义相对论指出μ子的寿命延长了9倍——根据我们的时钟，它们的寿命比它们静止时的寿命长9倍

但是，请记住狭义相对论还指出μ子有资格把它们自己看成是静止的。在它们自己的参照系中，在到达地面之前，它们肯定仍然是衰变的吗?根本不是这样!如果μ子被看成是静止的，这确实是允许成立的，那么我们必须把地球看成是以接近光速的速度通过μ子!从μ子的角度来看，这当然引起地球按照由洛伦兹变换变换计算得到的量收缩。因为涉及的速度是相同的，而且在那些方程中时间和空间是对称的，所以收缩的量应与时间膨胀的量相同，即9倍但是因为方程中时间项前面是负号，因而地球大气层的厚度缩为原来的1/9从μ子的观点来看，它们必须要穿过的路程仅为我们所测得的地球大气层厚度的1/9，因此它们有足够的时间在衰变成其他粒子以前，完成这个短暂的行程

狭义相对论並不仅仅是一个异想天开似的假设，而是经过了牛顿实验验证的理论——它“解释了事情的性质”并“提供了能够用来(成功地)证明那些解釋的实验”

那么，当我们把这个时间膨胀推到极限时会发生什么情况呢?回到原来爱因斯坦关于光所提出的问题上，对一束光(如果你愿意或一个光子)来说，或一个骑在一束光上的人来说宇宙“看来”又会是什么样呢?对于一个光子来说时间又是如何流逝的呢?

首先回答第②个问题——这不是一个问题。洛伦兹变换变换告诉我们对于一个以光速运动的物体来说时间是静止的。当然从一个光子的角度来看，任何其他的东西都以光的速度通过它在这些极端条件下，洛伦兹变换-斐兹杰惹收缩把所有物体之间的距离减小为零你可以说对一个電磁波而言时间是不存在的，因此在其路径上的一切(宇宙中任何地方)无不是同时的;也可以说对一个电磁波而言距离是不存在的因而它即時地“接触到”宇宙中的任何事物。

这是一个相当重要的思想但我从未见到它被给予应有的重视。从一个光子的观点来看它不需要任哬时间就能穿过从太阳到地球之间的十亿五千万千米(或穿过整个宇宙)，这是由于对一个光子来说这个距离间隔是不存在的这个简单的原因物理学家似乎忽视了这种事物的非凡状态，因为他们认为任何实在的物体都不能够加速到光的速度因此，没有任何人类(或机械)的观察鍺能够体验这种奇怪的现象或许他们只不过是被方程所表述的意思弄得不知所措，以至于没有完全考虑这个含义尽管如此，我所希望說服你的仍是从一个光子的角度来看，空间和时间这种奇异的性质能够有助于解决所有量子物理中种种极不寻常的神秘但是，在我开始向你介绍狭义相对论和量子理论如何相互结合起来提供了对电磁现象一个最新的描述之前，我们有必要简单地看一下狭义相对论的另┅个含义爱因斯坦的方程告诉我们，通过叠加两个(或多个)小于c的速度永远也无法得到一个大于光速的速度。但是方程并没有说不可能以超过光速的速度运动。

正如我在前言中所暗示的那样狭义相对论没有说某种东西在原则上是不可能做超光速运动的。它真正指的是鈈可能超越光速“障碍”如果一个粒子比光运动慢，那么它必须获得无穷大的能量才能够加速到光的速度。但是爱因斯坦方程在其描述运动的形式上具有漂亮的对称性，光速恰在中间方程还指出，如果一个以超光速运动的粒子确实存在那么，它将总是超光速地运動在光障碍的另一侧，必须需要无穷大的能量才能把粒子的速度降到光的速度

由于方程允许超光速粒子的存在，因此它们被命名为“超快子”(tachyons)，这个名称来自希腊语中意思为“快速的”一词(少数物理学家略带些虚情假意地说普通的、比光速慢的粒子也应有一个名字甴于它们比超快子“慢”，因而被命名为慢子)如果超快子确实存在，那么它们生活在一个非常奇异的世界里在那里我们已知的物理定律都以其“镜像”的形式存在。方程相对于光速的对称性意味着这个临界的速度在某种意义上来说，似乎把粒子放在它的两侧它就像┅个无穷长且无穷高的山脊;在山脊的一侧，如果你听任粒子们自行其是那么，它们沿着斜坡滚向较慢的速度;但在斜坡的另一侧除非给粒子施加能量，否则它们就会向下滚向更快的速度由于从我们这一侧来看，随着你向光束的接近时间走得越来越慢，在光速的时候时間达到静止因而在山脊的另一侧当你发现时间慢慢地向后走，并且随着超快子沿着山脊下降它的速度变得越来越快——即随着超快子嘚继续偏离光速——时间向后走得也越来越快时，你不应该感到惊讶

随着一个超快子能量的失去，它会在空间和(向后的)时间上走得越来樾快因而，在一个粒子相互作用中(或许当一束宇宙射线与地球的大气相互作用时)产生的任意超快子的命运是在一个极短的瞬间内辐射掉所有的能量并加速到一个相当惊人的速度，极其迅速地跑到宇宙的另一边

像这样的实体确实存在的可能性几乎是微乎其微的。但是即使有最微小的可能性来发现像这样激动人心的东西，也是值得我们花一点精力的这就像买彩票，一张彩票只有赢得大奖的一个极小的鈳能性但你会认为为了大奖的结果，这仍然是值得的因此，一些物理学家确实已经在宇宙射线簇中寻找超快子的痕迹(这确实代表了一個小小的“赌注”事实上，这是由于探测器已经建成并且正在用于更常规的工作中)。按照逻辑一个超快子的“标记”是刚好在来自涳间的一个粒子撞击地球大气层的顶部产生一束像μ子的粒子簇线之前，在地球表面上一个宇宙线探测器所记录的一个事件。在这个事件中所产生的任何超快子将沿着它的轨迹随时间向后地传向探测器。

不幸的是对科幻小说爱好者(对物理学家们来说，如果他们能捕到一个超赽子他们肯定能获得诺贝尔奖)来说，从这些实验中得不出任何有效的证据表明超快子确实存在超快子概念的重要性仍然是非常明白的，因为它表示了相对论方程是如何不排斥实体随时间向后传播的可能性没有人提出实际粒子——超快子——是在聪明的观察者打开宇宙飛船的门，并注意到一只猫是活的还是死的的时候产生的然后这些粒子随时间向后运动，使“原来的”电子波函数坍陷(除去其他任何事凊之外产生粒子，甚至是超快子也需要以mc2形式的能量)。但是如果物理定律允许任何类型的随时间向后的交流，我们肯定也倾向于把峩们的思想扩充到考虑在飞船中生活的猫在这个方向上会发生什么情况以及考虑超距离作用的可能性。

正如我在《寻找时间的边缘》一書中清楚地说明的那样实际上物理定律(包括广义相对论中的那些定律，不仅仅是狭义相对论)中没有任何定律禁止时间旅行它可能是相當困难，也相当难以理解的即与我们的常识相违背。但是它没有被物理定律所禁止;我们对常识的概念已经被由相对论和量子理论所描述过的概念所打碎，而这两个理论都是由牛顿能够赞同的实验所支持的

我在这里不再对这一点作太详尽的阐述。把它好好地收藏在你的頭脑中这样在本书的最后，有关一些我必须要谈的事情对你来说就不会是来的那么突然。现在让我们回到光本身，特别是回到电磁學与量子物理学的联系上

第5页 :第三章 奇异而真实

如果一副太阳镜片在正常使用的情况下只允许垂直偏振的光通过，那么当你摘下眼镜並把它转动90°，使得镜片竖立起来，此时镜片就只能让水平偏振的光透过了，事实上这种情况与绳子穿过栅栏时的情况类似，即水平偏振光不能透过垂直偏振片。因此，很显然，如果你有两副太阳镜，戴上一副后再把另一副转动90°，平行地放置在第一副眼镜的前面，那么透过这两副眼镜，你什么都不会看见，光子又一次表现出与直觉一致的行为试着做一做并看一看(或者说试着做一做，你就会什么都看不见)这僦是一对正交偏振片的例子。

这种完全照常理所获得的对光的性质的理解并不会让你高兴太久在现实生活中，如果你把两个镜片并列地放在同一条轴线上并且不让光透过，那么试问当你把第三个镜片插在它们中间时会发生何种情况常理告诉你光同样也不会透过，错了现在就请你拿起第三个太阳镜片，放置在前两个之间并使其偏振方向与前两个各成45°角，没有第三个镜片的时候光确实不会透过前两个相互垂直的偏振片，但是当放入第三个镜片后，就会有些许光从整个镜片系统中透过，尽管不如只放置一个镜片时透过的光多(实际上只是其1/4)但是，确证无疑的事实是光不会穿过两个镜片而能穿过三个镜片，原因何在?

首先你可从两个偏振夹角为45°而不是垂直放置的镜片入手来看一看，当光射到它们上面的时候会发生些什么呢?暂且忘掉太阳镜设想我们在设置完备的光学实验室，各种精密仪器能使我们准确测量到光的偏振方向和光强首先让光穿过垂直偏振片，那么当透过的光再碰到45°角放置的偏振片时会发生何种情况呢?

与前述木栅栏的情況相比较，你也许会期望没有光会透过第二个偏振片然而事实上，有一半垂直偏振会透过并且透射光其偏振方向变成了45°，与第二个偏振片的偏振方向一致，因此，当这束强度减弱的光到达第三个水平偏振片后，两者夹角又是45°角，又会有一半的光透过，透过后的光变成了水平偏振。这样我们就看到一束垂直偏振光透过两个适当放置的偏振片后，其强度就会减小为原来强度的1/4并且偏振变为水平方向。

我們甚至可以用一束极其微弱以至于可以把它作为单个单个的光子看待的光来进行实验正如双缝实验，在某个时间发射一个光子使其通过裝置在你做此实验时，就会发现如果有一个如你期望的垂直偏振的光子(也就是说，一个已经穿过垂直偏振片的光子)射到45°偏振片上，那么，它穿过该偏振片或被阻挡的概率各为50%也就是说，如果在100个垂直偏振的光子射到该偏振片上会有50个光子透过，另外50个被阻挡如果此时测量透过光子的偏振，就会发现它们的偏振都变成了45°角，50个光子继续行走最后射到第三个水平偏振片上，此时其中的25个光子将被阻挡而另外的25个则会透过，其偏振也随之变成水平方向

当然，也可以用两个其他偏振夹角的偏振片来做这项实验如果两个偏振片嘟垂直放置，那么所有垂直偏振的光子就会通过实验装置;如果两个偏振片正交放置那么将不会有任何光子通过;如果缓慢地转动偏振片使咜们的偏振夹角在0°和90°之间变化，那么透过整个装置的光子百分数也会在100%和0%之间变化。看起来每个垂直偏振了的光子实际上在每个不同嘚取向都有一个定义好的偏振概率分布它水平偏振的机会是零，而呈45°角偏振的概率为0?5某些偏振取向(例如30°)的概率小于0?5，而某些偏振取向(例如60°)的概率则大于0?5光子实际处在某个不能够决定的态，即“叠加态”中除非对它的偏振做出测量。当光子射到偏振片上時它就会自行“决定”该采取何种偏振，并且遵循严格的概率规则透过偏振片或被其阻挡正如泡利?大卫对它所作的以下描述：

应当強调，量子力学的不确定性并不是简单意味着我们不知道光子的实际偏振方向不确定性的真正含义是：具有确定偏振的光的概念是不存茬的，不确定性牢牢蕴含在作为实体存在的光子的本质中而不是因为我们对它了解得太少而导致的不确定性。（参见大卫《另类世界》。）

与通常的太阳镜相比方解石晶体有一个重要的特点：一束光照射到晶面时，并不是简单地变成了另一束偏振光而是被晶体劈裂為两束偏振方向互相垂直的光，并沿着不同的方向从晶体的另一侧射出其中垂直偏振光遵循一条路径穿过晶体，而水平偏振光束则沿着叧一条路径射出如果入射光的偏振取向位于垂直和水平中间(这意味着入射光能够完全透过一个45°角偏振片)，则入射光就会被晶体劈裂为兩束强度相同的光两束出射光的偏振方向分别为垂直和水平方向，并且平行地传播

当然，在单个光子射入晶体时它不得不做出沿哪條路径行走的决定，并立即付诸实施相应的其偏振也将变成垂直或水平，这一点已被实验证实

如果你正用一束光进行该实验，你可以紦另一片方解石晶体放置在两束劈裂光行进的光路中使得两束光在晶体中重新汇合为一束，并且偏振取向变成45°——根据它们的晶体结构和其光效应，我们称这两片晶体具有相反功能。

但是当单个光子穿行于晶体的时候会发生何种情况呢?“很显然”，在它到达第一片晶體时它仍然不得不决定是沿垂直偏振的路径走，还是沿水平偏振的路径走

这种观点通过对实验的精确设定得以加强，假设我们通过在兩片晶体之间放入一片黑色滤材来阻挡经由一条路径穿出的光线而让另一条光线畅行无阻。为确定起见不妨假设从第一片晶体中射出嘚水平偏振光被阻挡，这在目前的实验中已经做到了现在只剩下一半的光穿过，出现在第二片晶体的另一侧它们都已变成了垂直偏振取向，同样如果我们关掉垂直偏振光线的通道，而只让水平偏振光通过第二片晶体其结果也不难分析。遵循常理的判断又一次取得了勝利

如果我们移走挡板，并让光子一个个通过实验装置结果会怎样呢?常理告诉我们它们都将穿过晶体，并且取水平偏振和垂直偏振的概率相同一旦光子作出决定选择何种偏振，则很难期望它在透过第二片晶体时其偏振方向重新变回到45°角，不是吗?错了它会的，当光線变得如此之弱以至于只有一个个的光子穿行在实验装置中时光束会表现得如同每个光子劈裂成两个一样，即光子在整个装置中将同时穿行在两条路径中当通过装置后又合二为一恢复到原来的偏振状态。每一个射到第一片晶体上的光子都会以这种方式穿过晶体并在装置的另一侧恢复原貌。光子的概率波正在晶体的一侧寻索通向另一侧的每一条可能路径在其做出决定该如何表现的时候就已经把整个实驗装置都考虑进去了，如同它们打在平面镜上在做出该如何反射回来的决定前就把镜面的每一个角落都探查了一样看起来穿行在每条路徑中的光子都已经注意到了另一条通道的开关状态，并相应矫正它们的行为所有的这些讨论作为标准量子理论的一部分，在几十年前就廣为人知了但是，实验物理学家在20世纪90年代进行了更为精致的实验证实了单个光子确实同时体现出波动性质和粒子行为。

量子物理的發展史中最微妙的一个特征是思想实验(之所以称之为想象实验因为最初没有谁相信这些实验会付诸实现)最终都被真正的实验所证实，揭礻出量子世界奇异的、充满青春朝气的生命力始作俑者自然是EPR实验，首先由约翰?贝尔(John Bell)从概念上提出并最终由艾伦?艾斯派克特小组解決在这个例子中从想象实验的提出到最终实验的实现整整用了半个世纪，但对于另外的想象实验现实实验的进程要快些。

约翰?惠勒——理查德?费曼的博士论文导师在得州大学奥斯汀分校工作期间，于70年代末提出了一个非常精致的想象实验我曾在《寻找薛定谔的貓》一书中提到这个“延迟选择”想象实验，但是没想到在这本书出版后的两年内这个想象的延迟选择实验出现在现实的实验中我也曾提及延迟选择想象实验有一个宇宙翻版，它涉及从遥远的类星体上发射的光在80年代中期，没有人相信延迟选择实验会在现实中诞生但昰到了90年代，情况大为改变因为测量想象实验中涉及的类星体发射的光波确实有望在近期内解决。

延迟选择想象实验的基本特点与双缝實验不同我们已经知道，对于逐个发射到双缝实验的光子它们将在另一侧的屏板上形成干涉图样，看起来像是光子发生了自干涉我們也已经知道，如果我们想要建立监控系统来测量光子正在通过哪条缝我们总会看到单个光子只穿过其中一条缝，在这种情况下我们茬远处的屏板上看不到干涉条纹，即光子在狭缝处的行为被测量破坏掉

惠勒指出，从原理上来讲可以在狭缝与屏板之间的某个位置处設置探测器来观察电子在狭缝与屏板之间的路径中的行为。我们可以看到当光子穿过狭缝还没有到达屏板的时候，它们到底表现出波动性质还是粒子行为量子理论告诉我们对任何一条光路中的光子的探测就会导致整个系统的波函数坍缩，因此就不会有干涉条纹出现，泹如果关掉探测器并且在光子通过的时候不作任何观察，那么就会恢复干涉图样。在光子穿过双缝后其在狭缝处的行为就已经确定了不仅如此，惠勒还指出我们实际上并不需要对打开还是关闭探测器作出决定，除非光子此时已通过了双缝这就是延迟选择实验的来甴。

如同薛定谔猫的故事一样延迟选择想象实验凸现出量子力学的荒唐所在，但与薛定谔猫不同的是延迟选择实验于80年代中期分别被馬里兰大学和慕尼黑(Munich)大学的两个研究小组独立地实现，他们实际上对想象实验做了改进一束激光被半透镜劈裂为两束，其中一束通过一個称为相位偏移器的设备这样两束光就不合拍了，因此当两束光再次汇合成一束时，就会形成干涉条纹(这与图宾根实验中把电子分成兩束再对其中一束进行相移的方法是一致的)。一种称为泡克耳斯盒的探测器设置在每条劈裂光束的光路中来监测光子的路径另外在两束光汇合的地方再放置一个探测器再来观察屏板上是否正在发生干涉。泡克耳斯盒可以在9×10-9秒内完成开关操作从半透镜到探测器的光程昰4.3米，需要14.5×10-9秒才能走完因此，在光子穿过半透镜的时候可以把泡克耳斯盒打开或关上(这种开关操作用计算机随机控制)两个研究小组嘟获得了与量子理论完全一致的结果：当探测器打开的时候，光表现为粒子行为每个光子在每一时刻只能通过一条路径，而且不会发生幹涉效应(当然在4.3米的光路上有大量光子，每个光子在到达探测器之前就作出应该如何表现的决定了)如果关闭探测器，即使一束单光子射到半透镜上也会表现出波动性质此时光看起来同时在两条路径上运动，并且确实无疑地发生干涉可是，即使在我们还未对如何观测咜们做出决定之前光子在通过半透射时的行为就已经被将来“我们该如何去观测它”这一想法所改变。

这是一个震撼人心的把想象实验付诸现实的例子但是对目前的例子而言，光子只是在几十亿分之一秒的跨度内对探测器开关状态的准确预测能力不会让你对这种未卜先知的奇异性太困惑这也是惠勒在80年代早期提出把想象实验建立在宇宙中的来由。

惠勒指出利用引力聚焦现象可以实现双缝实验的宇宙方案。最初人们对设在地球上的望远镜能否观测到引力聚焦现象并无信心，后来引力聚焦的研究却取得了一些进展宏观宇宙中正在发苼着的事情是：千百万年前由类星体发射出的光在星际中穿游传播，并受到星系干扰(1光年就是光在1年内走过的路程请记住，太阳光只需鈈到500秒的时间就传到1.5亿千米之遥的地球上)如果星系和类星体之间的方位合适，那么类星体发出的光就会被星系引力弯曲，因此类星體发出的光子在星系附近就有两条可能路径，其直接效果就是：从地球上看去类星体有两个像，分居在星系的两侧

从原理上来讲，有鈳能把构成两个像的光汇合在一起使之发生干涉并形成干涉图样，这将证明光的波动性质另一方面，利用泡克耳斯盒来观测每个像的咣系行为也是可能的在此情况下，量子理论预测对两个像的光子观测后再把它们投射到屏板上，就不会出现干涉条纹果真如此的话，那就“证明”光表现出粒子行为每个光子在通过星系时只能走一条路径。

要把这一想象实验付诸现实还存在种种困难尽管我们可以從类星体的两个像中获取光子，但由于引起光线偏折的星系的体积如此之大两束光的信息是含混不清的。任何光源都有其特征相干时间在这段时间内发出的光是步调一致的，在更长的一段时间内光波的相位就变得杂乱无章。对于在星系附近的两束光来说其光程差大約是几个星期，远远大于其特征相干时间因此，光的相位信息随机无规不能用来形成干涉条纹。

时至1993年天文学家为另一种引力聚焦現象的发现欣喜不已，研究者发现：当银河系中一颗由暗物质构成的致密星从星系中的一颗星体前面越过的时候类星体的两个像就会闪爍不定，这就说明类星体的像是由不同的引力焦距而成的致密星体通常如木星般大小，因此由它引起的引力聚焦造成的光程差非常小，这就使得观测类星体光的干涉效应成为可能因此，只需付出微乎其微的努力就可以把泡克耳斯盒引入实验，并造成干涉图样的消失

这种新的引力聚焦现象对检验量子理论提供了远大前景，由于被我们的望远镜所俘获并被送到探测器的光子实际上是由10亿年前从一个距峩们1022千米远的类星体发出的光子可以“选择”两条路径到达地球，它们可以走其中一条也可以走另一条，或者被神秘地劈裂成两束哃时走在两条路径中，但是问题是：是在10亿年前由1022千米外的类星体上发出的这些光子却依赖于90年代或21世纪初的天文学家是否打开附在望远鏡上的泡克耳斯盒的决定

上述论述给人的一个错误图像，惠勒说：

“是关于光子在天文学家观察它以前就具有某种物理形式的假设它既是波，又是粒子在星系附近既可以同时沿两条路线穿行，又可以仅仅遵循某一条路线实际上，量子现象既非波动又非粒子性，其實质并没有定义除非在它被测量的时候。从某种意义上讲英国哲学家贝克莱(Berkeley)两个世纪以前的断言存在即是被感知，是正确的”

我不清楚惠勒的这段论述能否真的帮你恢复信心，然而无论你如何试图去描述它上述关于延迟选择实验的宇宙方案中总是存在某种玄妙奇特嘚东西，整个宇宙似乎已经超前洞悉这小小的人类想要在比如说智利的山峰上做何实验惠勒的思想已足够超前，他认为整个宇宙之所以存在是因为有谁在注视它——所有一切甚至追溯到150亿年前的大爆炸都保持未定义状态，除非被观测这就带来一个沉重的问题：何方神聖具有这等警惕性，注视着大爆炸使之坍缩为宇宙波函数。这正是下一章要论述的问题首先在这儿提供一个看待宇宙波函数坍缩的非囸统观念，它是一个想象实验宣称即使不作任何观测，也会导致系统波函数坍缩

这个关于量子世界奇异性的极好例子是在50年代早期由德国物理学家默利斯?雷尼格(Mauritius Renninger)设计提出的，因此称为“雷尼格负结果实验”它以极易理解的形式来呈现了量子奇异性。

这里我对这一想象实验作了稍微修正，设想一个源正发射一个量子粒子发射方向是随机的(通常的辐射核就是如此，因此这个源一点儿也不特殊)。假設这个源处于一个巨大的空心球中心并且球体内表面涂了一层物质，只要发射的量子粒子触到球壳内表面的某处某处就会闪光，当源隨机发射一个粒子时对一个可以接受的量子描述是：量子概率波会沿各个方向向外扩展。当概率波扩展到球壳内表面时就会在某个地方闪光，量子波随之坍缩到一点仅当粒子被观测的时候——闪光时，粒子才是实际存在的而在其向外扩展的过程中，它是不存在的

迄今，所有讨论是足够简单的但是现在假设，在源和球壳的中间有一个半球状屏蔽罩从源的视角来看，它实际上把球壳的一半都挡住叻设这个半球壳内壁也涂上一层闪光材料，使得发射粒子在与它发生撞击时也会闪光那么，现在当源发射一个粒子的时候会发生何种凊况呢?

有可能对这个想象实验的可能结果做一个简单的量子描述只要利用两个终态就够了，我们现在并不特别关心粒子会在球壳或半球殼的何处发生碰撞而只关心它会与谁发生碰撞。粒子既可以撞击内部的半球壳使之发光又可以撞击外部的球壳并使之发光，两个结果發生的概率相同现在，假设源又被触发产生了一个粒子仍按标准的量子理论描述为概率从中心扩散到球壳，各向同性我们等的时间仳其到达内层球壳的时间长，但是比它到达外层球壳所用的时间短并且在内球壳上没有看到闪亮。我们知道实验的终态是在外球壳上的閃光——粒子一定是没弄对方向没能撞到内半球壳粒子从能够以一半对一半的概率撞向内半球壳和外球壳的状态，完全坍缩到100%的在外球殼上产生闪光的状态但是这却发生在观察者实际观察到任何东西之前!这纯属于交换了观察者关于它将如何的“知识”的结果。它要求观察者有足够的智慧来推断发生了什么以及如果一个粒子向内半球方向飞时会发生什么(例如，因此很明显猫不足够聪明，能产生波函数嘚塌缩)在此情况下，没有观察也能使量子波函数产生像有观察那样有效的塌缩至少，哥本哈根学派的解释是这样

这种观察者——不昰任意观察者，而是有智慧的观察者的中心作用处于哥本哈根学派解释的中心很难判断，任何拼命补救都会是这样的：它可作为一种量孓操作的“调制书”补救只是添加些菜以得到最后的加工物。虽然量子馅饼做出来了但怎么做出来的还是无法知道。

虽然半个多世纪Φ大多数物理学家乐于用它做菜而不去管这套量子调制术但也产生了对奇妙的量子世界的其他种种解释。不幸的是尽管对另外解释争論激烈，各有各的理直到现在还没有一个能比哥本哈根解释的缺陷更少。但是这些出自于无可奈何的解释仍值得一看，为了看看量子悝论的解释必须解释多少东西也是为了在本书后部分向你讲解这不同寻常的理论时给你一个合适的印象。

第6页 :第四章 绝望中的补救

由于顯而易见的原因(如果它们还不显而易见的话那么它们马上就会变得显而易见)，这种解释被称之为“多世界”解释它早就是我所喜爱的┅种解释。部分原因是哥本哈根解释从来就没有给我留下什么深刻的印象而这种解释好像是它最好的替代品;部分原因是它为科幻小说的創作提供了一个极好的机会。但是关于多世界解释的情况已变得越来越复杂，就像它变得越来越流行一样并且它最终像变形虫一样分荿了三个不同的多宇宙理论。同时正如我在序言中所阐述的那样，一个更好的解释已经发现开始吸引那些在过去的40年里对已有解释不滿意的人。我现在已经不再像过去那样对多世界解释十分热衷了但它至少仍与哥本哈根解释不相上下，而且仍为科幻小说提供着十分丰富的背景所以它仍然不失为一个美妙的解释。

多世界解释的基本观点就是在每一个时刻宇宙都面临着一个选择整个宇宙分裂成多个它洎身的拷贝。有多少个可能的选择就有多少个这样的拷贝描述这个思想的一个简单方式是借助于具有悠久历史的薛定谔的盒子中的猫。茬那个思想实验中具有两种选择。要么放射性原子发生衰变猫就死亡;要么它不发生衰变，猫仍然活着请记住，传统的哥本哈根解释說除非是一个有智力的观察者打开盒子看一下，要不然这两种选择都不是“真实的”直到打开盒子这件事发生之前，在盒子里的任何東西都处于一种叠加态之中于是在测量之前，猫不是死的也不是活的。多世界解释说当系统面临选择时，这两种选择立即变成真实嘚宇宙分成了两个。在宇宙的一个拷贝里实验者打开盒子发现了一只活的猫;而在另一个宇宙里，实验者打开盒子发现了一只死的猫關键的一点是，根据这个解释在实验者来观测之前，在盒子里的猫是真正的活着或者真正的死了这里并没有什么神秘的叠加态，也没囿在观测的那一时刻波函数的坍塌每一个观测者都认为他(或她)是在唯一的宇宙里，这儿并没有办法使得两个宇宙中的人相互交流

多重卋界解释是在1957年由休?埃弗雷特发展的。当时他正是约翰?惠勒指导下的一名学生在那时，惠勒赞同这个观点尽管惠勒是导师，而埃弗雷特是学生但多世界解释有时被称为“埃弗雷特-惠勒理论”，而从来没人称其为“惠勒-埃弗雷特理论”从这一事实可以隐约看出惠勒当时对这种解释的热情相对较低(与他对“惠勒-费曼吸收理论”的热情相比)。几年之后惠勒对多重世界解释的看法就变了。他认为尽管这种解释能像哥本哈根解释一样精确地预言各种实验结果，但它携带了太多“形而上学的包袱”而不能被严肃认真地对待。这个反对昰一个感觉的问题态的叠加及波函数的坍塌这一整套东西也带有他自己的形而上学的包袱，并且有些人(包括我自己)发现这个包袱比起哆世界解释让人更加难以接受。但惠勒的看法也确实有一点道理

问题在于多世界解释的原始形式要求存在无穷多的宇宙。在每一次劈裂時每个宇宙都劈裂成无限多的真实的版本。就好像是宇宙中的所有原子和粒子都面临着量子选择的问题都同时沿着各种可能的路径走姠未来。人们对于宇宙劈裂的通常看法为——可能存在一个“平行的世界”在那里南方赢得了美国国内战争，如此等等正如我所说的，这为科幻小说的作者们提供了令人兴奋的素材至少在人类生活方面，这好像是足够合理的每个人都喜欢对一些历史关节进行推测“洳果怎么样”，会发生什么不同的结果但是，如果我们容许每一个细小的量子选择都以各种可能的方式得以实现这样是合理的吗?如果鈈合理，而影响人类历史的重大选择便是宇宙增生的结果那么我们便又回到那个老问题——如何划出量子世界与现实世界的分界线呢?我們又要为量子选择的含义而迷惑了：是不是在量子选择产生影响之前，需要有一个有智力的观察者来观察到它呢?

尽管存在一些困难一些宇宙学家还是接受了这个思想，并且使其逐渐清晰化这个思想在埃弗雷特提出之后的近30年时间里一直处于枯萎的状态。这些宇宙学家对這个思想表现出这么高热情的原因是多世界理论最大的一个好处就是它既不需要一个有智力的观察者也不需要系统之外的一个测量仪器來使波函数发生坍塌，从而创造出实体我们曾一度为“维格纳的朋友”所迷惑——如果维格纳的朋友打开盒子，察看了猫是死的还是活嘚但他并没有告诉其他人，这样这位朋友也处于叠加态直到维格纳问了观察到了什么为止。然后维格纳也处于一个叠加态直到另外┅位朋友问他实验的结果为止，如此等等一直无穷。所以难道不是叠加态使得宇宙成为真实的吗?

惠勒曾经讨论过，我们的观察(或那些囿智力的观察者)现在可以在一定程度上追溯到过去使宇宙的波函数坍塌，一直进行到最初的大爆炸(在这一点上多世界解释就携带了太哆形而上学的包袱而不能被认真地对待)。但是既然我们是这个系统的一部分(在这里系统是指整个宇宙)那么这个讨论就是可疑的。要使宇宙作为一个实体而不是作为一个叠加态而存在哥本哈根解释严格要求一个宇宙之外的观察者来使波函数发生坍塌。所以一些宇宙学家已經转向多世界解释宁愿相信真正存在着许多个宇宙，每一个都有自己的空间和时间它的起源都是大爆炸。这样一来宇宙的数学描述僦变得非常复杂，但是沿着这个思路已经取得了一些进展例如，斯蒂芬?霍金建议尽管存在无限多种宇宙，在某种意义上这些宇宙肩並肩排列着然而一般的那种宇宙，最有可能在其中找到我们自己的那种宇宙就应该看起来与我们真正生活在其中的这个宇宙非常接近。

第7页 :第五章 思考之思考

在已经提及非标准集合理论之后我想在回到哲学家关于物理学是什么的观点之前给一个有关宇宙论的简单例子。

就像粒子物理学家具有“解释”在极小尺度条件下物理规律的夸克和量子色动力学一样宇宙论学家也有一个大尺度条件下涉及物质、萬有引力和广义相对论的宇宙如何运行的标准模型。宇宙学家的标准模型即大爆炸理论的最大问题之一，或许是最大的问题是在宇宙产苼之时存在着一个奇点天文学家了解到宇宙正在膨胀，因为他们的望远镜表明星系正在互相远离爱因斯坦的广义相对论预言了这个膨脹，因为理论表明随着时间前进星系之间的空间必须扩张理论和实验却建议，设想一下在时间上向后移你会发现在很久以前宇宙是什么樣;必然存在这样的时刻宇宙中所有的物质和所有的时空缩成一个点，即奇点

我们知道，奇点是物理规律崩溃的地方按照方程，它是┅个具有零体积和密度无穷大的点这是很荒谬的。然而在20世纪60年代斯蒂芬?霍金和罗杰?彭罗斯指出如果广义相对论能够准确地描述宇宙演化规律(根据所有的证据，包括双脉冲星确实似乎是这样)，那么在时间之初奇点的存在是无法避免的。今天在我们周围所观察到嘚这种膨胀与爱因斯坦方程都证明起初必然存在着这个奇点

这个令人烦忧的结论是否是因为我们做了错误的类比的结果呢?80年代，霍金回箌宇宙起源这个问题上来并且与其他人一道试图建立一个结合量子力学和广义相对论思想的模型用来描述宇宙。这个工作使许多宇宙论學者觉得需要对“多个世界”或“多个历史”的思想作某些变形因为不存在任何方法能够使一个观察者处在宇宙之外，从而把它的波函數从一个叠加态坍陷成一个单一历史但霍金的方法存在另外一个有趣的特性，即对大爆炸理论给出一个不同看法的一个新类比

以前我缯说过，在相对论(包括狭义和广义相对论)方程中对时间和空间的处理方式是很不同的在方程中时间前面有一个负号。但这并不是事情的铨部就像关于直角三角形的毕达哥达斯著名定理(即勾股定理)一样，那些方程是以平方形式处理的因此，在爱因斯坦方程中表示空间岼移的参数是平方项，即x2y2和z2。而表示时间移动的参数是平方的负数即-t2。这就是时间不能完全像空间一样来处理因为在中学就已学过鈈能对一个负数开平方。我们知道x2或x具有很容易理解的意义例如4的开平方是2，但-t2能告诉我们关于t的什么呢?例如什么是-9的开平方呢?

霍金指絀宇宙起源时的奇点问题即时间的“边缘”，能够通过作一个几乎无意义的数学技巧来解决数学家知道如何做负数的开平方。他们具囿一个200多年历史的数学标准方法并且借助于一个简单的技巧能够使它们相乘。他们发明了一个称为i的“数”被定义为“-1的开平方”。洇而i×i等于-1如果你想知道-9的开平方是几，你可以说-9等于(-1)×9它的开平方等于-1的开平方乘以9的开平方，因而等于i×3这样的“虚数”能够潒普通数那样运算，例如加、乘、除以及其他运算它们构成了数学运算的重要一部分。它们给数学家提供了描述不可描述的——负数开岼方的世界——的模型它们的运算法则类比于实数的运算法则。

霍金的大胆举动是指出我们日常时间的概念是错误的宇宙运行规律的哽好模型通过转向使用我们称之为虚时间，即it的方法来得到就数学而言，这是一个无意义的变换它就像一个地图绘制者在向我们提供哋球表面情况时转换投影一样重要。例如传统的墨卡托投影大体上给出各大陆的准确形状，但是扭曲了它们的相对面积;而70年代发展起来嘚彼德投影给出各大陆准确的相对比例但是歪曲了它们的形状。两种投影(和其他投影)都是在一张平纸上给出地球的整个表面由于不可能在一张平纸上完整地给出一个球的表面，因而没有一种投影可以说是“正确的”而其他种是“不正确的”。只是它们不同

同样，描述在空间和时间域内发生的事件的坐标位置时数学家可以自由地选择坐标系让我们考虑另外一个地理学的例子。经度是选择相对于穿过倫敦格林尼治子午线来测量的这在历史上是偶然的。航海家也可以选择任何其他的子午线例如连接地球北极和南极的虚线作为零经度。

霍金转换成“虚时间”不是像上述那么简单但是它仅涉及数学坐标的选择。他把爱因斯坦方程中时间的参数与其他空间参数建立在完铨等同的基础上如果时间以it为单位测量，那么时间测量平方后我们就得到单位i2×t2，即(-1)×t2或-t2现在我们必须用这个负数乘上出现在爱因斯坦方程中的那个负号，这样就消除了由i2而得到的(-1)最后只留下t2(记住负负得正)。

这种模型的转换或选择不同的数学类比，能够使爱因斯坦方程中的时间与空间完全等同并且可以证明这种朴实的数学变换消除了由方程所产生的奇点。

霍金指出我们现在要研究膨胀宇宙的方法不是依据时空中由数学的奇点产生并增大的气泡，而是依据画在保持恒定大小的球表面上的纬度线在球北极附近所画的小圆圈表示姩轻时的宇宙——所有的空间由组成圆圈的线来表示。随着宇宙的膨胀它可以由从北极到赤道附近的圆圈表示，每一个圆圈比上一个要夶从北极向赤道移动表示时间的“流动”。一旦过了赤道随着相继纬度圆圈变小，“宇宙”开始缩小直至在南极消失。

那么在两极處即时间的开始和终止，会发生什么情形呢?在这些点上球没有边界尽管我们说时间在北极“开始”。因为时间与空间建立在相同的数學基础上所以与地球的地理学类比是完善的。在地球的北极所有的方向却指向“南”，没有“北”的方向——在那里地球没有边缘茬霍金的宇宙模型北极处，所有的时间方向都指向“未来”而没有对应于“过去”的时间方向——在那里没有时间的边缘。奇点的问题沒有出现

如果你能够在时间上向后旅行而到达大爆炸的时候，你不会消失于奇点中而是穿过“零时间”的那点(或时刻)并转变方向重新進入未来;这就像在地球北极稍偏南的一个人朝北前进，穿过极点并继续朝相同方向前进会发现前进的方向指向南。依据这个图像我们鈳以看出宇宙是一个时空、质量和能量完全自洽的体系，既是从无中膨胀而来也会缩回无中去

所有这些是通过一个简单的坐标变换来达箌的，即把时间和空间建立在相同的基础上不幸的是，用数学术语来表达关于i的数传统地称为虚数，这意味着霍金变换的时间坐标是依照称为“虚时间”来做的这有些像科幻小说中的事，如《爱丽丝漫游记》（选择这个术语能带来双重的不幸，因为事实上，霍金所有的方法把时间当成虚空间;在方程中it与x、y或z起同样的作用）但是，事实上在数学上这是看待事物受欢迎的方法，这似乎比传统地看待事物的方法在物理上更合理因为它不含有可怕的奇点。

也存在探索其他可能性的方法霍金把时间“空间化”;伊利亚?普里戈金说他嘚对物理规律的描述方法等效于把空间“时间化”。但是在这里我不想对这个模型给出详细的说明所有我想做的是指出霍金对奇点问题嘚解决办法在精神上完全符合奥根斯汀关于数学中任何东西都能够翻译成物理上有意义的现实世界模型的观点。物理学是一门技术就像峩们说木材工业是一门技术的意思一样，它从原材料中生产出产品木工匠用木材做出家具，同样物理学家从数学中建立起描述世界的模型两个世纪前，当虚数的研究是纯数学的一个活跃的分支时谁能够猜到某一天它可以用来解释宇宙是怎样产生的呢?

当然，这个应用必須等到物理学家或天文学家建立起一个世界观或模型用它可以根据虚时间把所面临的问题得到解决。那么物理学家怎样掌握世界并提絀他们对现实世界所给出的描述呢?

进驻量子实在的整体进路

对我来说，似乎最好的答案是抽签每一种解释都是一个可行的模型，每一种解释都为我们提供了有用的对世界运行方式的洞察的确，把每一个量子解释看成是根据自己情况的独立的一个自由度并利用温伯格的說法，我们随意地选择在任意特定情况下适合我们需要的解释是相当合理的选错了解释那很抱歉——例如，如果你选择了哥本哈根学派對薛定谔猫的解释但是如果你选对了解释——在这种情况下为多个世界的解释——那么所有的情形都变得很直接。一个好的物理学家应該在他或她的工具袋中带着每一种解释当遇到一个特别的量子难题时，他或她应该选用合适的解释来解决手头的难题

为证明这点，让峩们快速地回忆一下几个现成的解释并看一看它们怎样与20世纪下半叶量子物理最重要的进展——贝尔法则相联系的。任何可以接受的对量子物理的描述都必须与艾斯派克特的实验结果相容——而且它们都是这样

极好的哥本哈根学派的解释对贝尔法则和艾斯派克特的实验來说是没有任何问题的，因为尼尔斯?玻尔和他的同事始终告诉我们一个实验的结果取决于整个实验装置。在双缝的实验中如果两个狹缝都是开的，我们得到干涉条纹如果整个实验装置包含星系两面的光子，那么我们必须考虑到这两面的光子，即使这涉及“超距离嘚鬼作用”同样，如果现实是由测量的作用而产生的根据这种解释，为了理解艾斯派克特的实验结果我们必须做的是接受这样的事實：产生的现实不一定只是在测量正在进行的局域附近的现实，也应包含远处的现实即从测量来的光信号还没有来得及到达处的现实。

與此一致的另外一种解释是世界可能是“确实实在的”这是由戴维?玻姆和他的追随者提出的。如果是这样根据玻姆，世界必须是不鈳分离的整体的一个态因而，在一处的一动能够非局域地和即时地在远处产生一个响应利用这两个解释以及与此有关的关于真实粒子具有真实性质(这种性质是受满足统计定律的控制波的影响)的思想，当考虑宇宙其他部分的态时即时“通讯”影响实验结果，然而又设法鈈允许在两个人类观察者之间有包含有用信息的超光速信号的传递

多个世界的解释是采用略微不同的形式，因为对所有可能的实验来说它允许所有可能的结果是等同的。但是正如我已经提到的那样，它肯定是非局域的因为在地球这里一个量子事件的选择结果，即时哋引起在远处星系上现实的多次复制(同样远处星系上的变化即时地引起地球这里的现实分成多次复制)。但是对自洽地解释“量子世界”它仍然是有效的。

在讨论对量子理论的解释时约翰?贝尔写道：

这些可能的世界在多大范围内是虚构的呢?它们就像文学里的小说，在那里它们可以由人的想象随意地发明在理论物理中发明者从一开始就知道工作是虚构的，例如在处理简化了的世界时空间仅为一维或②维，而不是三维经常的情况是直到后来当假设证明是错误的时候才知道使用了虚构。当他们是认真的时当他们不是探索有意简化了嘚模型时，理论物理学家不同于小说家之处在于他们认为或许故事可能是正确的（参见约翰?贝尔著《量子力学中的可说与不可说》第194～195页。）

这样的希望是站住脚的所有的模型都是根据我们选择那些自由度作为对现实的操作有意地简化了的；并且所有超出我们直接感覺范围的关于世界的模型都是虚构的，都是人类的随意发明你可以自由地选择最吸引你的那一个量子解释，或放弃所有的解释或你可鉯根据方便，或那个星期的日期或一时的兴致购买下所有的包裹并使用一个不同的解释。现实在很大程度上是在你想让它是什么之中

盡管如此，仍然是几乎每一个人都想知道“答案”对真实的实际模型的探求驱使理论物理学家(同样激励其他的人们)去研究哲学或去同意某一个特定的宗教，我自己仍然具有这个追求尽管我思维的逻辑部分告诉我这个寻求是徒劳的，并且所有我所希望发现的是我们这个时玳的一个自洽的想象因此，尽管这样我仍打算向读者提供一桩我认为是20世纪量子世界市场上目前最好的买卖，即一个不仅能够清楚地帶到整个非局域化交易的前沿而且能够提供一组我认为即将转变物理学家思考物质世界方法的类比和隐喻的诠释。

在《研究物理学》一書中马丁?克莱格提到许多在理解物理学家做什么方面证明是有益的类比。在那里工厂和工人、经济、熟悉的钟表模型甚至亲属关系系统等都作了讨论。但是他说“其他主要的类比，例如进化和生物的类比在大部分物理中似乎起着非常小的作用。”

我相信这是一个現在正在纠正的历史性失误正如我在《起始》一书中所讨论的那样，通过把像星系、甚至宇宙本身这样的物体比成活的进化生物天文學家和宇宙学家正在获得对世界的本质、它的起源以及它的结局等新的洞悉。与活的生物运行方式相关的关键概念也出现在我喜欢的量子尛说中即所谓的相互作用解释。我不主张它只不过是一篇小说；所有的科学模型简单地说是“井井有条的”小说它给我们以我们理解現实世界正如何运行而没有必要给出关于宇宙的任何最终答案的感觉。如果你想要一篇目前你可以信赖的小说并且在被其他更好的(或简單地说更时髦的)小说替代之前能够持续很长的时间，那么我向你推荐的便是相互作用解释。现在是我该把我的旗帜钉到旗杆上的时候了我们应该加入到那些从序言跳过所有章节的读者中来，并且提出一个确实从量子神秘中解除所有神秘地对现实世界的描述

第8页 :结语 解決方案：我们这一时代的秘密

结语 解决方案：我们这一时代的秘密

克雷默描述一个典型量子“相互作用”的方法是依据在时间和空间中一個粒子与别处的另一个粒子的“握手”。你可以依据一个电子发射的电磁辐射被另一个电子吸收来想象这一点尽管这个描述适合于由于楿互作用以一个状态开始，以另一个状态结束的量子整体态矢量例如从一个双缝实验的一面的一个源辐射的态矢量和被实验另一面的一個探测器吸收的一个粒子的态矢量。使用普通语言作任一这样描述的困难之一是怎样处理在时间上同时向两个方向进行，以及就日常世堺中时钟而言即时出现的相互作用克雷默通过有效地站在时间之外并依据某种类型的赝时间使用描述的语义装置做到这点。这只不过是┅个语义设置但它确实有助于直接地获得图像。

它是这样工作的基于这个图像，当一个电子振动时通过产生一个场试图辐射能量，洏这个场是一个传播向未来的延迟波和传播向过去的超前波的时间对称组合作为得到一个将要发生什么的图像的第一步，忽略超前波并哏随延迟波延迟波传向未来，直至它遇到一个能够吸收场所携带能量的电子吸收的过程涉及使正在做吸收的电子振动，这个振动产生絀新的延迟场它正好抵消了第一个延迟场。所以在吸收者的未来，净效应是不存在延迟场的

但吸收者也产生一个负能量的超前波，隨时间向后沿着原来延迟波的路径传向发射者在发射者处，这个超前波被吸收使得原来的电子以发射第二个传向过去的超前波方式缩囙。这个“新”的超前波正好抵消了“原来”的超前波因而在原来的辐射发生的时刻之前不存在有效的辐射向过去传播。剩下的是一个連接发射者和吸收者的双波它由携带正能量传向未来的延迟波的一半和携带负能量传向过去(沿着负时间的方向)超前波的一半构成。因为負负得正这个超前波加到那个原来的延迟波上就好像是一个从发射者到吸收者传播的延迟波。（如果你从称为“吸收者”的电子发射传姠过去的辐射开始整个论述同样适用;相互作用解释本身没有指出哪个时间方向是优先的但建议它与宇宙的边界条件相关联的，这个边界條件决定了时间方向离开了大爆炸）

按照克雷默的话说：“发射者可以看成是产生一个传向吸收者的‘给予’波。然后吸收者向发射者返回一个‘确认’波相互作用通过一个穿越时空的‘握手’而完成。”（参见约翰?克雷默“相互作用的解释”，第661页）但这仅仅昰一个从赝时间观点来看的事件结果。实际上这个过程是即时的、是迅速发生的。这是因为以光速传播的信号不需要时间就完成了任何旅程实际上，对光信号来说宇宙中的每一点都是与宇宙中的每另外一点紧挨着的不管信号是随时间向前传播还是向后传播是没有关系嘚，因为(在它们自己的坐标系中)它们不需要时间即+0与-0是一样的。

在三维的空间中情况会更复杂但是结论是完全一致的。考虑一个最极端可能的情况在一个只仅含有一个电子的宇宙中，电子将根本不能产生辐射(如果马赫原理是正确的它也不会有质量)。如果在宇宙中仅還有另外一个电子那么第一个电子能够产生辐射，但它仅沿着第二个“吸收”电子的方向辐射在实际宇宙中，如果物质在最大的尺度仩不是均匀分布的并且存在着在某些方向上比另一些方向上更小的吸收能力，那么我们会发现发射者(例如无线电天线)将“拒绝”向各个方向做同样强度的辐射为证明这种可能性，实际上已通过把微波向宇宙不同方向发射的方法做过这种尝试但是实验表明不存在电子不凊愿向一个特定方向辐射的任何迹象。

克雷默努力强调他的解释并没有给出不同于传统量子力学所能给出的预言，这提供了一个有助于囚们清晰地理解在量子世界中事情是怎么进行的概念型的模型、一个在教学中可能有特别用途的以及在对其他神秘的量子现象建立直观叻解的过程中有很大价值的工具。在这方面你不必觉得相互作用解释存在着与其他解释相比较的缺点，因为我们已经看到它们中无一鈈是帮助我们理解量子现象的概念型模型，而且它们都给出相同的预言选择一个解释而不是另一个的唯一有价值的标准是：看它是否有效地帮助我们思考这些神秘的东西，依据这个标准克雷默的解释必胜无疑。

首先它不仅提供了比为什么存在着时间方向的提示更多的東西，而且它把所有物理过程建立在同等的基础上没必要对观察者(有智慧的或其他的)或对测量仪器指定一个特殊的状态。这一下子就消除了持续了半个多世纪之久的关于量子力学意义的大部分哲学争论的基础超越了关于观察者角色的争论，相互作用解释确实解决了那些經典的量子神秘我将只给出两个例子——克雷默如何处理双缝实验，以及如何对艾斯派克特实验给出有意义的解释

如果我们准备解释雙缝实验的神秘之处，我们也应该做到尽善尽美解释一下这个神秘之处的最后说法——约翰?惠勒对这个题目的一种变形即前面讨论过嘚“延迟选择实验”。在这个实验的描述中一个光源发射一系列通过双缝实验的单个光子。在另一边是一个能够记录光子到达位置的探測屏屏能够折倒，在这种情况下光子继续前进使它们穿过聚焦在狭缝上的一对望远镜(一个望远镜聚焦一个狭缝)中的一个或另一个。如果屏是倒的望远镜将观察到穿过狭缝的单个光子(一个光子穿过一个狭缝)，此时没有干涉条纹;如果屏是竖起来的光子似乎穿过两个狭缝，并在屏上产生干涉条纹屏可以在光子通过狭缝以后再折倒，因此光子决定采取什么样行为的图案似乎由它们做出决定之后所发生的倳件决定。

根据克雷默对这个事件的描述一个延迟的“给予波”(为讨论的目的由“赝时间”检测)穿过实验中两个狭缝。如果屏是竖起来嘚波由探测器吸收，引发出一个超前的“确认波”向后传播并穿过两个狭缝到达光源。沿着两条可能的路径(实际上如费曼强调的那樣，沿着每一条可能的路径)最后的相互作用形成了因而出现了干涉条纹。

如果屏是倒的给予波继续前进到达瞄准狭缝的两个望远镜。甴于一个望远镜只瞄准一个狭缝因此，只有可能由给予波与望远镜本身相互作用产生的任何确认波向后穿过望远镜所瞄准的狭缝到达光源当然，这个吸收事件必须涉及一个整个光子而不是一个光子的一部分尽管每个望远镜可以向后发射一个确认波穿过各自的狭缝，但昰光源必须(随意地)“选择”接收哪一个波结果是单个光子通过单个狭缝的最后相互作用。演化的光子态矢量“知道”屏是否在竖起来或偠倒下去因为确认波确实随时间向后传播穿过仪器，但是如同以前，整个相互作用是即时的

观察者决定要进行哪个实验的问题不再偅要。观察者确定了实验配置和边界条件相应的相互作用形式。进而探测事件涉及一个测量(这不同于任何其他的相互作用)的事实不再偅要，因此观察者在这个过程中没有起什么特殊作用。

你可以自娱自乐给薛定谔的猫(和维格纳的朋友)找出一个类似的解释。再一次偅要的是最后的相互作用只有一种可能性(死的猫或活的猫)变成现实，并且因为“波函数的坍陷”不一定等到观察者看到盒子的里面因此，不存在猫一半是活的一半是死的时间相互作用解释是多么的有力和直接的标志，是我确信你能够为你自己找出详尽的解释而不需要峩把它说出来。

关于贝尔不等式、爱因斯坦—波多斯基—罗森悖论以及艾斯派克特实验又怎样解释呢?毕竟，它们在80年代再一次引起了人們对量子力学意义的兴趣从吸收理论的观点，对它们的理解是不存在什么困难的我们设想(仍根据赝时间想象)将要发射两个光子的处于噭发态的原子向各个方向并相应的各个可能的偏振态发射给予波。仅当确认的超前波从一对合适的观察者向原子随时间向后发出后相互莋用完成了，并且光子实际发射了一旦相互作用完成，光子被发射和被观察产生了一对探测事件，在那里光子的偏振态是互联的尽管它们在空间上是远离的。如果确认波不与一个允许的偏振关联相匹配那么，确认波不能够证实这相同的相互作用因而它们不能够建竝起握手。从赝时间的观点一对光子只有在它们被吸收的安排完成以后才能够被辐射，并且吸收安排本身决定了辐射的光子的偏振状态尽管在吸收发生之前它们不能够被辐射。事实上原子辐射的光子状态不符合探测者所允许的那种吸收是不可能的。的确在吸收模型Φ原子根本不能够辐射光子，除非已经构成使它们被吸收的状态

同样，对于飞向星系的两个相反端的两只猫情况是相同的。确定电子茬哪半个盒子中由此确定哪一只猫是活的?哪一只猫是死的?这种观察随时间向后瞬时地(应该说，即时地)反射到实验的开始这就决定了在貓被锁在它们的飞船里(没有被观察)的整个过程中猫的状态。

如果在特殊的时间链中存在一个特别的连接那么它不是结束时间链的连接。咜是事件链开始时的连接那时发射者在从给予波那里接收到各种确认波之后，把其中之一加强使这个确认波转换成作为一个完成的相互作用的现实。这个即时的相互作用在结束时不存在“什么时候”的问题

在解决量子物理中所有疑惑方面的巨大成功是以接受似乎与我們的普通感觉相背立的思想为代价的，这个思想即为部分量子波随时间向后传播乍一看，这是与原因总是在它所引起的事件之前这一普遍直觉完全不一致的但仔细观察一下，就会发现这种由相互作用解释所要求的时间传播根本不违背日常因果关系的概念同样所有这些跨越宇宙的即时握手并不一定消除我们人类最骄傲的品性，即我们自由的愿望

在日常世界中，很显然结果总是在原因之后当我在我的腦海里制订出下一句话是什么之后，以便在计算机上轻敲键不一会儿相关的字母出现在计算机屏幕上。(嗳)这可不是单词首先出现在屏幕仩然后我去读它，再去制订我要说什么当借助于随时间向后传播的超前量子波产生一个即时的握手时，并不需要对日常世界中因果逻輯关系产生什么影响

克雷默建议存在着两种因果关系，他称之为“强的”和“弱的”因果关系“弱因果关系原理”适用于日常世界(“宏观”世界)，它是我们关于时间普通感觉的概念基础可表述为：在任意坐标系中，宏观的原因必须总是在其宏观结果之前宏观信息从鈈可能以超光速传递，或随时间向后传递大部分人会赞同这点。克雷默也定义了“强因果关系原理”可表述为：一个原因必须总在其所有结果之前，因此即使在微观的尺度上(即量子尺度上)信息也不能够随时间向后传递或超光速传递。这经常被认为是弱因果原理的一个顯然的推广；但克雷默指出实际上不存在强因果关系的实验证据的确，存在着这样的实验证明——贝尔不等式的试验——清晰地表明鈈管你赞同哪种量子力学解释，“微观”的因果关系都是不成立的在吸收理论中，强因果关系总是不成立；但只要吸收总是沿着未来的方向弱因果关系是不违背的。

你不会感到惊讶相互作用处理时间的方式不同于普通感觉因为相互作用解释明显地包含相对论效应，并苴我们已经看到当它描述时间时它是多么的非常识性。相反哥本哈根学派的解释是以经典的、“牛顿”的方式处理时间的，这正是在試图用哥本哈根学派的解释来解释像艾斯派克特实验这样的实验结果时不一致的中心所在如果光速是无限的，问题将会消失；这将不存茬着涉及贝尔不等式过程的局域性和非局域性描述之间的差别并且普通的薛定谔方程将是描述事情发展的精确方程——实际上，当光速昰无限时普通薛定谔方程是正确的“相对论”方程。克雷默实际上已经发现了一个在相对论和量子力学之间的相当精巧的联系并且这囸是他的解释的中心所在。

即时的握手怎样影响可能出现的自由意志的呢?乍一看好像任何东西都是由过去和将来之间这些通讯固定的。發射的每一个光子已经“知道”它将在什么时候在什么地方被吸收；以光速流过双缝实验中狭缝的每一个量子概率波已经“知道”在另一側什么类型的探测器在等待它从一个光子的角度来看，我们面临着一个冻结的宇宙图像在那里时间、空间不再有任何意义，万物的过詓、将来如同现在一