第1页 :基本信息
书名：薛定谔的小猫
作者：约翰•格里宾
出版社：海南出版社
内容简介：
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章。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，对于一个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个关键问题),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。
你准备好了吗?
作者简介：
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。
书摘正文：
展开全文
序章
问 题
盒子中的猫
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发生了什么时的地位，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子中。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，电子必定位于盒子的这边或那边。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失。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的盒子的那一半中去。（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。）
第2页 :序章
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中，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“同时”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，即薛定谔是如何演示下述论断——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年以印刷品的形式出现。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的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术语“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。挡板已经自动滑移，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。薛定谔将这个设备描述为“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。
薛定谔让我们想象一下，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面到底发生了什么。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：要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世界的微观单元(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，只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)。在那个时刻，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”自己是死是活。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，或者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，或者它既不是死的，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，屋子里面有一只死猫，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，一直到量子世界。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如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一个人，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验结果(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子之外的这个人，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为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，这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，但量子迷惑不止这些。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
第一章 古代光学
牛顿的世界观
牛顿颜色理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。例如笛卡儿虽然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运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。现代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，一束阳光经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，即白光代表纯净的，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，在那里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，在玻璃中经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气而变成紫色。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，成为红光，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，通过改变透镜的形状，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是一个带有某种神秘意义的素数，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个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。
牛顿认为，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，但是在原来的白光中包含所有颜色的光。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。但牛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(折射望远镜)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的一个小孔射出来，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，这台仪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。他在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，大家都知道是怎么回事;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，这说明战场越来越近，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(于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，并作为一个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和颜色理论，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(写给一个不知名者)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。皇家学会秘书，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，牛顿逐渐开始享誉欧洲大陆。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封信，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年，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构成的概念，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，而对的东西不是原创的。
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(他把自己完善的光学理论留在手中，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，那是因为我站在巨人的肩上”，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，距他的《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己工作方法的认识——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点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该是，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，而不是决定它们，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，如果它与实验不符，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)，它将折射归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。这就有了一种很明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观点。
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(或定律)，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世纪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世纪的科学认为，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事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何运作的。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，当然这仍然是很重要的一步。
第4页 :第二章 现代
第二章 现代
爱因斯坦的洞见
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作，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里完成了博士论文。
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了参考书目中。）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于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，那么将会发生什么样的情况呢?
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。但是如果你以与波相同的速度运动，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，甚至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，或是航船在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，相对于它所有的运动就能够被测量。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，即一种上帝的时钟，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，他说所有的运动都是相对的，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另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作用而运动。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。正是这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，以及重力的情况。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;一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有惯性的观察者)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。如果我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光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，而哪一个是不动的。
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从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发射。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，光看上去以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计算得到的洛伦兹-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。
牛顿力学的普通常识可表述为，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，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光，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，没有任何方法能使两个小于c的速度加起来等于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：
狭义相对论告诉我们，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地接近光速，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;正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-斐兹杰惹收缩的洛伦兹变换方程支配的。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“向前和向后”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是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正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，广度总是保持不变。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，观察它在地上所形成的影子，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际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，影子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是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，而且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。在这里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的原子相互作用时，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。
狭义相对论并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)证明那些解释的实验”。
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?
首先回答第二个问题——这不是一个问题。洛伦兹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-斐兹杰惹收缩把所有物体之间的距离减小为零。你可以说对一个电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，因而它即时地“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，它不需要任何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)的观察者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，我所希望说服你的仍是，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一个含义。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。
超光速与时间倒退
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。它真正指的是不可能超越光速“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动。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。由于它们比超快子“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。它就像一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，在光速的时候时间达到静止，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——即随着超快子的继续偏离光速——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)时间上走得越来越快。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可能性，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(这确实代表了一个小小的“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”是刚好在来自空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快子，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飞船的门，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(除去其他任何事情之外，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我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》一书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。它可能是相当困难，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头脑中。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，特别是回到电磁学与量子物理学的联系上。
第5页 :第三章 奇异而真实
第三章 奇异而真实
看到不可能的光
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，当你摘下眼镜并把它转动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)。这就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?
与前述木栅栏的情况相比较，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。
我们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装置。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。如果两个偏振片都垂直放置，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它们的偏振夹角在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的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05，某些偏振取向(例如30°)的概率小于05，而某些偏振取向(例如60°)的概率则大于05。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时，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：
应当强调，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在的，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》。）
那里还有更多的论述。
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，而是被晶体劈裂为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另一条路径射出。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两束强度相同的光，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，它不得不做出沿哪条路径行走的决定，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，你可以把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”，在它到达第一片晶体时，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，假设我们通过在两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的水平偏振光被阻挡，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胜利。
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，当光线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验装置都考虑进去了，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径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，在几十年前就广为人知了。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。
什么时候是光子?
量子物理的发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，揭示出量子世界奇异的、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•艾斯派克特小组解决。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《寻找薛定谔的猫》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，但是到了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实验不同，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，我们也已经知道，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，我们在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设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，但如果关掉探测器，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由。
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年代中期分别被马里兰大学和慕尼黑(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，其中一束通过一个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两束，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是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)。两个研究小组都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，而且不会发生干涉效应(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它们做出决定之前，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。宏观宇宙中正在发生着的事情是：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，太阳光只需不到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，类星体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，有可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光系行为也是可能的，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，尽管我们可以从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，其光程差大约是几个星期，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现象的发现欣喜不已，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烁不定，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10亿年前从一个距我们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，同时走在两条路径中，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镜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，其实质并没有定义，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的东西，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：何方神圣具有这等警惕性，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正统观念，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)。假设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，当源随机发射一个粒子时，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了，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情况呢?
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壳的何处发生碰撞，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，两个结果发生的概率相同，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。我们等的时间比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闪光——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%的在外球壳上产生闪光的状态。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，能产生波函数的塌缩)。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——不是任意观察者，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：它可作为一种量子操作的“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。
虽然半个多世纪中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，尽管对另外解释争论激烈，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，为了看看量子理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
第四章 绝望中的补救
宇宙的扩散
由于显而易见的原因(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一种解释。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创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成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年里对已有解释不满意的人。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自身的拷贝。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。在那个思想实验中，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说，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，在盒子里的任何东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的。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。关键的一点是，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，也没有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。
多重世界解释是在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。这个反对是一个感觉的问题。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，这个包袱比起多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。在每一次劈裂时，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向未来。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“如果怎么样”，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?如果不合理，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?我们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。这些宇宙学家对这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来使波函数发生坍塌，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的，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，直到另外一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(或那些有智力的观察者)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多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经转向多世界解释，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，宇宙的数学描述就变得非常复杂，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并肩排列着，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
第五章 思考之思考
描述不可描述的
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、万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生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胀，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样;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，它是一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的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，霍金回到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学者觉得需要对“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，从而把它的波函数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。
以前我曾说过，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。但这并不是事情的全部，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，表示空间平移的参数是平方项，即x2，y2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不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?
霍金指出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。他们具有一个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”。因而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”能够像普通数那样运算，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——负数开平方的世界——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，宇宙运行规律的更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地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年代发展起来的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伦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全等同的基础上。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年轻时的宇宙——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大，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。
那么在两极处，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学基础上，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。在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。奇点的问题没有出现。
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)并转变方向重新进入未来;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，我们可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到的，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•普里戈金说他的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的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，就像我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，这个应用必须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出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，并利用温伯格的说法，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对薛定谔猫的解释。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该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，让我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来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，如果两个狭缝都是开的，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“超距离的鬼作用。”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实：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。
与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，世界必须是不可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，然而又设法不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，即时地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，空间仅为一维或二维，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的模型时，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觉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，或你可以根据方便，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。
尽管如此，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代的一个自洽的想象。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带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》一书中，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。”
我相信这是一个现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，进化生物天文学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小说中，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现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(或简单地说更时髦的)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 解决方案：我们这一时代的秘密
结语 解决方案：我们这一时代的秘密
与宇宙握手
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个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相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个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，以及就日常世界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。这只不过是一个语义设置，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，而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，忽略超前波并跟随延迟波。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，这个振动产生出新的延迟场，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，随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回。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。剩下的是一个连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。因为负负得正，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”的电子发射传向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，这个边界条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。）但这仅仅是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的，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)。如果在宇宙中仅还有另外一个电子，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上不是均匀分布的，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情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人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了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不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东西，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经典的量子神秘。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。
如果我们准备解释双缝实验的神秘之处，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，即前面讨论过的“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测屏，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事件决定。
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。如果屏是竖起来的，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，如费曼强调的那样，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。由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，但是光源必须(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”屏是否在竖起来或要倒下去，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重要。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)的事实不再重要，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，重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，而不需要我把它说出来。
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们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激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，相互作用完成了，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，因而它们不能够建立起握手。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，在吸收模型中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。确定电子在哪半个盒子中，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，这就决定了在猫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。它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们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。
拿出时间去制造时间
在日常世界中，很显然结果总是在原因之后。当我在我的脑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上，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辑关系产生什么影响。
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。宏观信息从不可能以超光速传递，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显然的推广；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，不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，并且我们已经看到，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，这正是在试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；这将不存在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，当光速是无限时，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，并且这正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。发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”在另一侧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，万物的过去、将来如同现在一样。
但是，请记住，这是一个光子的观点，或以光速运动的任何其他东西(例如量子概率波)的观点。对于像人类的宏观物体，时间是足够的实在。在我的坐标系中，我仍有时间决定下一个句子将是什么，是否现在休息一下吃午饭或20分钟以后再休息。我做的决定可能产生一个即时量子联系的联结网，因而一个光子，如果它会说话的话，会告诉我，我的这些决定将怎样影响我未来的生活；但是弱因果关系原理使我免于任何这样的从微观世界到宏观世界的信息泄漏。在我的时间坐标中，这些决定是由真正的自由意志作出的，并且不确切知道它们的结果。(在宏观世界中)做出引起微观世界中即时现实的这些决定(人类的决定和像涉及原子衰变的量子“选择”)需要时间。我们的经历更像克雷默的“赝时间”，而不像作为量子相互作用基石的即时握手。
至少这是我怎样看待它。就像文中其他任何东西一样，这仅仅是一个类比、一个想象或一个模型。你可能会发现另一个考虑我们日常时间感觉怎样与即时的量子世界相联系的方法。沿着约翰•贝尔的调皮的建议，你可能倾向于接受根本不存在像自由愿望之类的事情，相互作用解释的成功证明了任何事情都是预先注定的(从人类的观点看)，以及我除了写这本书外别无选择，并且你除了读它之外也别无选择。尽管在微观的水平上宇宙的非局域性可能使我们不舒服，可能使我们很难理解日常所说的过去、现在和将来之间的关系，但是请记住，这不是由相互作用解释所给出的特征。它是一个实验事实，在任何对“量子世界”给出的满意解释中所必须考虑的一个事实。此外，把时空不同部分即时连成一个相关的整体，似乎相当符合在第二章中讨论的连续时空“历史”的相对论的图像。相互作用解释的成功多半根基于它公正地面对这个问题的方法，它从由证明贝尔不等式的实验所揭示的量子世界的即时性向外作为扩充。
我再次强调所有这样的解释是想象，是有助于我们在量子水平上给出事物是怎样发展的形象图像以及作可验证的预言的拐杖。它们(它们中的任一个)不是唯一的“真理”；但是它们是“实在的”，尽管它们之间不互相一致。克雷默的解释是我们时代一个极好的想象；它易于用来构造事物是如何发展的物理图像；对下一代科学家来说，它将会幸运地代替哥本哈根学派的解释作为量子物理的标准考虑方法。
它是向初学者(即对还没有被哥本哈根学派解释所误导的任何人)讲授量子物理的一个极好的方法。正如克雷默所说：
由于哥本哈根学派的解释在讲授量子物理的50年中的传统角色，要偏离它可能是特别困难的。
然而对物理过程的新解释的价值不应该被低估。在物理学许多领域中的经验表明：进步以及新的思想和方法是受清楚地想象物理现象的能力所激发的。
早在1977年，在讨论根据原则上涉及整个宇宙的相互作用来理解量子实验结果的困难时，弗莱德•霍利评论到：“终有一天成功会来到，但是，它仅来自物理学的非局域形式，一种目前还不流行的物理学。”参见弗莱德•霍利著，《宇宙的十个面》(伦敦，荷曼，1977)第128页。霍利的预见性评论以及克雷默的希望有充满在像朱书远关于万有引力本质的工作中的征兆。这不是量子力学故事的结束，而是量子力学故事中一个新章节的开始。最后我用一个权威性的讽刺来结束这个故事的叙述。
在20世纪所有伟大的物理学家当中，那位最清楚最经常表述量子力学的标准形式及量子力学的本质不可理解性的，这就是理查德•费曼。例如在60年代中期，他在《物理定律的特性》一书中写道：
曾有一段时间报纸上说只有12人理解相对论。我认为没有这样的一段时间。可能有一段时间只有一人懂得相对论，因为在他的论文发表之前他是唯一懂得它的家伙。但是在人们阅读了他的论文之后，许多人以这种或那种形式懂得了相对论，肯定不止12人。另一方面，我认为可以完全有把握地说没有人理解量子力学…………如果你有可能做到的话，不要再对自己说：“那么它怎么会那样呢?”因为你会“沿着排水沟”进入一条黑胡同里，从那里还没有人逃出来过。没有人知道它怎么会是那样。参见理查德•费曼著，《物理定律的特性》，第129页。
当然，具有讽刺意味的是，从黑胡同逃出的办法是来自费曼在做出上述评述20年前所提出的光的理论。当然又过了30年它才变得清晰。它可能仅是我们时代的一个想象，但是约翰•克雷默的相互作用解释的伟大之处是它的确允许你询问“那么它怎么会是那样呢?”的问题，并且提出一个不涉及“沿着排水沟”行进的简单和容易理解的答案。关于量子力学的任何解释你还有什么要问的吗?