主题：【文摘】上帝掷骰子吗――量子物理史话（12-1） -- 林小筑
家园 【文摘】上帝掷骰子吗――量子物理史话（12-1） 上帝掷骰子吗（12-1）
作者：castor_v_pollux 发表日期：2004-06-07 12:07:32
第十二章 新探险
一
1953年，年轻，但是多才多艺的物理学家穆雷•盖尔曼（Murray Gell-Mann）离开普林斯顿，到芝加哥大学担任讲师。那时的芝加哥，仍然笼罩在恩里科•费米的光辉之下，自从这位科学巨匠在1938年因为对于核物理理论的杰出贡献而拿到诺贝尔奖之后，已经过去了近16年。盖尔曼也许不会想到，再过16年，相同的荣誉就会落在自己身上。
虽然已是功成名就，但费米仍然抱着宽厚随和的态度，愿意和所有的人讨论科学问题。在核物理迅猛发展的那个年代，量子论作为它的基础，已经被奉为神圣而不可侵犯的经典，但费米却总是有着一肚子的怀疑，他不止一次地问盖尔曼：
既然量子论是正确的，那么叠加性必然是一种普遍现象。可是，为什么火星有着一条确定的轨道，而不是从轨道上向外散开去呢？
自然，答案在哥本哈根派的锦囊中是唾手可得：火星之所以不散开去，是因为有人在“观察”它，或者说有人在看着它。每看一次，它的波函数就坍缩了。但无论费米还是盖尔曼，都觉得这个答案太无聊和愚蠢，必定有一种更好的解释。
可惜在费米的有生之年，他都没能得到更好的答案。他很快于1954年去世，而盖尔曼则于次年又转投加州理工，在那里开创属于他的伟大事业。加州理工的好学生源源不断，哈特尔（James B Hartle）就是其中一个。60年代，他在盖尔曼的手下攻读博士学位，对量子宇宙学进行了充分的研究和思考，有一个思想逐渐在他的脑海中成型。那个时候，费因曼的路径积分方法已经被创立了20多年，而到了70年代，正如我们在史话的前面所提起过的那样，一种新的理论――退相干理论在Zurek和Zeh等人的努力下也被建立起来了。进入80年代，埃弗莱特的多宇宙解释在物理学界死灰复燃，并迅速引起了众人的兴趣……一切外部条件都逐渐成熟，等1984年，格里菲斯（Robert Griffiths）发表了他的论文之后，退相干历史（简称DH）解释便正式瓜熟蒂落了。
我们还记得埃弗莱特的MWI：宇宙在薛定谔方程的演化中被投影到多个“世界”中去，在每个世界中产生不同的结果。这样一来，在宇宙的发展史上，就逐渐产生越来越多的“世界”。历史只有一个，但世界有很多个！
当哈特尔和盖尔曼读到格里菲斯关于“历史”的论文之后，他们突然之间恍然大悟。他们开始叫嚷：“不对！事实和埃弗莱特的假定正好相反：世界只有一个，但历史有很多个！”
提起“历史”（History）这个词，我们脑海中首先联想到的恐怕就是诸如古埃及、巴比伦、希腊罗马、唐宋元明清之类的概念。历史学是研究过去的学问。但在物理上，过去、现在、未来并不是分得很清楚的，至少理论中没有什么特征可以让我们明确地区分这些状态。站在物理的角度谈“历史”，我们只把它定义成一个系统所经历的一段时间，以及它在这段时间内所经历的状态变化。比如我们讨论封闭在一个盒子里的一堆粒子的“历史”，则我们可以预计它们将按照热力学第二定律逐渐地扩散开来，并最终达到最大的热辐射平衡状态为止。当然，也有可能在其中会形成一个黑洞并与剩下的热辐射相平衡，由于量子涨落和霍金蒸发，系统很有可能将在这两个平衡态之间不停地摇摆，但不管怎么样，对应于某一个特定的时刻，我们的系统将有一个特定的态，把它们连起来，就是我们所说的这个系统的“历史”。
我们要时刻记住，在量子力学中一切都是离散而非连续的，所以当我们讨论“一段时间”的时候，我们所说的实际上是一个包含了所有时刻的集合，从t0，t1，t2，一直到tn。所以我们说的“历史”，实际上就是指，对应于时刻tk来说，系统有相应的态Ak。
我们还是以广大人民群众喜闻乐见的比喻形式来说明问题。想象一支足球队参加某联赛，联赛一共要进行n轮。那么，这支球队的“历史”无非就是：对应于第k轮联赛（时刻k），如果我们进行观测，则得到这场比赛的结果Ak（Ak可以是1:0，2:1，3:3……等等）。如果完整地把这个球队的“历史”写出来，则大概是这个样子：
1:2， 2:3， 1:1， 4:1， 2:0， 0:0， 1:3……
为了简便起见，我们现在仅仅考察一场比赛的情况。一场比赛所有可能的“历史”的总数，理论上说是无穷多的，当然在现实里，比分一般不会太高。如果比赛尚未进行，或者至少，我们尚不知道其结果，那么对于每一种“历史”我们就只能估计它发生的可能性。在实际中，即使是概率也经常很难算准（尽管参考博彩公司的赔率或者浏览一些赌波网站或许能提供某些帮助，但它们有时候是相当误导的），但我们在此讨论的是理论问题，因此我们就假定通过计算，关于任何一种历史我们都能够得到一个准确的概率。比方说，1:0获胜这样一种“历史”发生的可能性是10％，1:2落败则有20％……等等。
说了这么多，这些有什么用呢？切莫心急，很快就见分晓。
到现在为止，因为我们处理的都还是经典概率，所以它们是“可加”的！也就是说，如果我们有两种历史a和b，它们发生的概率分别是Pa和Pb，则“a或者b”发生的概率就是Pa＋Pb。拿我们的例子来说，如果我们想问：“净胜2球的可能性是多少？”，那么它必然等于所有“净胜两球”的历史概率的总和，也就是P(2:0)＋P(3:1)＋P(4:2)＋…这看起来似乎是天经地义。
但让我们回到量子论中来。稀奇的是，在量子论里，这样的加法并不总是能够实现！拿我们已经讨论得口干舌燥的那个实验来说，如果“电子通过左缝”是一种历史，“电子通过右缝”是另一种历史，那么“电子通过左缝或者通过右缝”的可能性是多少呢？我们必须把它放到所谓的“密度矩阵”D中去计算，把它们排列成表格！
在这个表格中，呆在坐标（左，左）上的那个值就是“通过左缝”这个历史的概率。呆在（右，右）上的，则无疑是“通过右缝”的概率。但等等，我们还有两个多余的东西，D（左，右）和D（右，左）！这两个是什么东西？它们不是任何概率，而表明了“左”和“右”两种历史之间的交叉干涉！要命的是，计算结果往往显示这些干涉项不为0。
换句话说，“通过左缝”和“通过右缝”这两种历史不是独立自主的，而是互相纠缠在一起，它们之间有干涉项。当我们计算“电子通过左缝或者通过右缝”这样一种情况的时候，我们得到的并非一个传统的概率，干脆地说，这样一个“联合历史”是没有概率的！这也就是为什么在双缝实验中，我们不能说“电子要么通过左缝，要么通过右缝”的原因，它必定同时通过了双缝，因为这两种历史是“相干”的！
回到我们的足球比喻，在一场“量子联赛”中，所有可能的历史都是相干的，1:0这种历史和2:0这种历史互相干涉，所以它们的概率没有可加性！也就是说，如果1:0的可能性是10％，2:0的可能性是15％，那么“1:0或者2:0”的可能性却不是25％，而是某种模糊的东西，它无法被赋予一个概率！
这听上去可真不美妙，如果这些概率不能相加，那么赌球的人或者买足球彩票的人一定都不知所措，没法合理地投入资金了。如果不能计算概率， 那我们还能做什么呢？但是且莫着急，因为奇妙的事情马上就要发生了：虽然我们无法预测“1:0或者2:0”的概率是多少，然而我们却的确可以预言“胜或者平”的概率是多少！这都是因为“退相干”机制的存在！
魔术的秘密在这里：当我们不关心一场比赛的具体比分，而只关心其胜负关系的时候，我们实际上忽略了许多信息。比如说，当我们讨论一种历史是“胜，胜，平，负，胜，负……”，而不是具体的比分的时候，我们实际上构建了一种“粗略的”历史。在每一轮联赛中，我们观察到的态Ak都包含了无数种更加精细的态。例如当我们说第二轮球队“胜”的时候，其中包括了1:0，2:1，2:0，3:1……所有可以归纳为“胜”的具体赛果。在术语中，我们把每一种具体的可能比分称为“精粒历史”（fine-grained history），而把类似“胜”，“负”这样的历史称为“粗粒历史”（coarse-grained history）。
再一次为了简便起见，我们仅仅考察一场比赛的情况。对于单单一场比赛来说，它的“粗粒历史”无非有3种：胜，平，负。如果“胜”的可能性是30％，“平”的可能性是40％，那么“非胜即平”，也就是“不败”的可能性是多少呢？大家对我们上面的讨论还记忆犹新，可能会开始担忧，因为量子论或许不能给出一个经典的概率来，但这次不同了！这一次，量子论给出了一个类似经典概率的答案：“不败”的概率＝30＋40＝70％！
这是为什么呢？原来，当我们计算“胜”和“平”之间的关系时，我们实际上计算了所有包含在它们之中的“精粒历史”之间的关系！如果我们把“胜”和“平”放到矩阵中去计算，我们的确也会得到干涉项如（胜，平），但这个干涉项是什么呢？它是所有组成两种粗粒历史的精粒历史的干涉之和！也就是说，它包括了“1:0和0:0之间的干涉”，“1:0和1:1之间的干涉”，“2:0和1:1之间的干涉”……等等。总之，每一对可能的干涉都被计算在内了，我们惊奇地发现，所有这些干涉加在一起，正好抵消了个干净。当最后的结果出来时，“胜”和“平”之间的干涉项即使没有完全消失，也已经变得小到足以忽略不计。“胜”和“平”两种粗粒历史不再相干，它们“退相干”了！
在量子力学中，我们具体可以采用所谓的“路径积分”（path integral）的办法，构造出一个“退相干函数”来计算所有的这些历史。我们史话的前面已经略微提起过路径积分，它是鼎鼎有名的美国物理学家费因曼在1942年发表的一种量子计算方法，费因曼本人后来也为此与人共同分享了1965年的诺贝尔物理奖。路径积分是一种对于整个时间和空间求和的办法，当粒子从A地运动到B地，我们把它的轨迹表达为所有可能的空间和所有可能的时间的叠加！我们只关心它的初始状态和最终状态，而忽略它的中间状态，对于这些我们不关心的状态，我们就把它在每一种可能的路径上遍历求和，精妙的是，最后这些路径往往会自相抵消掉。
在量子足球场上发生的是同样的事情：我们只关心比赛的胜负结果，而不关心更加细微的事情例如具体的比分。当我们忽略具体比分的时候，事实上就对于每一种可能的比分（历史）进行了遍历求和。当所有的精粒历史被加遍了以后，它们之间的干涉往往会完全抵消，或者至少，几乎完全抵消。这个时候，经典概率就又回到桌面上来，两个粗粒历史的概率又变得可加了，量子论终于又可以管用了！我们也许分不清一场比赛究竟是1:0还是2:0，但我们无疑可以分清一场比赛究竟是赢了还是平了！因为这两种历史之间不再相干！
关键在于，我们必须构建起足够“粗粒”的历史。这就像我传给你两张数字照片，分别是珍妮弗•洛佩兹和珍妮弗•安妮斯顿的特写，然后问你，你觉得两人谁更漂亮。假如你把这些照片放到最大最大，你看见的很可能只是一些颜色各异的色块，两张照片对你来说似乎也没什么大的分别。只有把分辨率调得足够低或者你退开足够远的距离，把这些色块都模糊化，你才能看见整个构图，从而有效地区分这两张照片的不同，进而作出比较。总之，只有当足够“粗粒”的时候，两张照片才能被区分开来，而我们的“历史”也是如此！如果两个历史的“颗粒太细”，以至于它们之间互相干涉，我们就无法把它们区分开来，比如我们无法区分“电子通过了左缝”和“电子通过了右缝”两种历史，它们同时发生着！但如果历史的粒子够“粗”，则我们便能够有效地分开两种历史，它们之间退相干了！
当我们观测了电子的行为，并得到最终结果后，我们实际上就构建了一种“粗粒历史”。我们可以把它归结成两种：“我们观测到粒子在左”以及“我们观测到粒子在右”。为什么说它们是粗粒历史呢？因为我们忽略的东西实在太多了。我们现在只关心我们观测到电子在哪个位置，而不关心我们站在实验室的哪个角落，今天吃了拉面还是汉堡还是寿司，更不关心当我们进行观测的时候，空气中有多少灰尘沾在我们身上，窗户里射进了多少光子与我们发生了相互作用……从理论上讲，每一种不同的情况都应该对应于一种特定的历史，比如“吃了拉面的我们观察到电子在左”和“吃了汉堡的我们观察到电子在左”其实是两种不同的历史。“观察到电子在左并同时被1亿个光子打中”与“观察到电子在左并同时被1亿零1个光子打中”也是两种不同的历史，但我们并不关心这些，而只是把它们简并到“我们观察到电子在左”这个类别里去，因此我们实际上构建了一个非常粗粒的历史。
现在，当我们计算“我们观测到电子在左”和“我们观测到电子在右”两个历史之间的干涉时，实际上就对太多的事情做了遍历求和。我们遍历了“吃了汉堡的你”，“吃了寿司的你”，“吃了拉面的你“……的不同命运。我们遍历了在这期间打到你身上的每一个光子，我们遍历了你和宇宙尽头的每一个电子所发生的相互作用……如果说“我们观测电子的位置”是一个系统，组成这个系统的有n个粒子，在这其中，有m个粒子的状态实际上决定了我们到底观测到电子在左还是在右。那么，除去这m个粒子之外，每一个粒子的命运都在计算中被加遍了。在时间上来说，除了实际观测的那一刻，每一个时刻――不管过去还是未来――所有粒子的状态也都被加遍了。在所有这些计算都完成了之后，在每一个方向上的干涉也就几乎相等了，它们将从结果中被抵消掉。最后，“我们观测到电子在左”和“我们观测到电子在右”两个粗粒历史退相干了，它们之间不再互相联系，而我们只能感觉到其中的某一种！
各位可能会觉得这听起来像一个魔幻故事，但这的确是最近非常流行的一种关于量子论的解释！1984年格里菲斯为它开拓了道路，而很快到了1991年，哈特尔就开始对它进行扩充和完善。不久盖尔曼和欧姆内斯（Roland Omnés）也加入到这一行列中来，这些杰出的物理学家很快把它变成了一个洋洋洒洒的体系。我们还是有必要进一步地考察这个思想，从而对量子论的内涵获取更深的领悟。
本帖一共被 2 帖 引用 (帖内工具实现)家园 a true classic thanks Xiao Zhu!
家园 【我提议】深爱本文的读者们,都请到原发网站去向作者致个谢 全系列收结了. 如此好文, 应该要向辛勤的作者表示一下谢意吧! 光看一下参考文献就可以知道, 作者治学如何严谨, 付出了多少劳动!
请到这里去跟贴. 大家都去,显得军容整齐些,也壮壮西西河的声威.
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本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)家园 【文摘】上帝掷骰子吗――量子物理史话（尾声） 上帝掷骰子吗（尾声）
作者：castor_v_pollux 发表日期：2004-06-07 12:13:13
尾声
我们的史话终于到了尽头。量子论在奇妙的气氛中诞生，在乱世中艰难地成长起来，与一些伟大的对手展开过激烈的交战。它建筑起经天纬地的巨构，却也曾在其中迷失方向而茫然徘徊不已。它至今使我们深深困扰，却又担负着我们最虔诚和最宝贵的愿望和梦想。它最终的归宿是什么？超弦？M理论？我们仍不清楚，但我们深信会出现一个量子引力理论，把整个物理学最终统一起来，把宇宙最终极的奥秘骄傲地谱写在人类的历史之中。
在新世纪的开始，物理学终于又一次走到了决定命运的关头。我们似乎又站在一个大时代的前沿，光辉的前景令我们怦然心动，激动又慌乱，几乎不敢去想象那是怎样一个伟大的景象。最终的统一似乎已经触手可及，甚至已经听得到它的脉搏和心跳。历史似乎在冥冥中峰回路转，兜了一个大圈后又回到100多年前，回到经典物理一统天下时那似曾相识的场景。但这次的意义甚至更伟大：当年的牛顿力学和麦克斯韦电磁论虽然彼此相容，但它们毕竟是两个不同形式的理论！从这个意义上说，庞大的经典帝国最多是一个结合得比较紧密的邦联。但这次不同了，那个传说中的万能理论，它能够用同一个方程去描述宇宙间所有的现象，在所有的领域中，它都实现了直接而有效的统治。这是有史以来第一次，我们有可能完成真正意义上的彻底统一，把所有的大权都集于一身，从而开创一个真正磅礴的帝国时代。
人们似乎已经看到了天空中，金色的光辉再一次闪耀起来，神圣的诗篇再一次被吟诵，回响在宇宙的每一个角落。当这个日子到来的时候，物理学将再一次到达它的巅峰，登上宇宙的极顶。极目眺望，众山皆小，一切都在脚下。虽然很清楚历史上这样的神话最终归于破灭，霍金仍然忍不住在《时间简史》里说：“在谨慎乐观的基础上，我仍然相信，我们可能已经接近于探索自然的终极定律的终点。”
但是，统一以后呢？是不是一切都大功告成了？物理学是不是又走到了它的尽头，再没有更多的发现可以作出了？我们的后代是不是将再一次陷入无事可做的境地，除了修正几个常数在小数点后若干位的值而已？或者，在未来的某一天，地平线上又会出现小小的乌云，带来又一场迅猛的狂风暴雨，把我们的知识体系再一次砸烂，并引发新的革命？历史是不是这样一种永无止境的轮回，大自然是不是永远也不肯向我们展现它最终的秘密，而我们的探索，是不是永远也没有终点？
这一切都没有答案，我们只能义无反顾地沿着这条道路继续前进。或许历史终究是一场轮回，但在每一次的轮回中，我们毕竟都获得了更为伟大的发现。科学在不停地检讨自己，但这种谦卑的审视和自我否定不但没有削弱它的光荣，反而使它获得了永恒的力量，也不断地增强着我们对于它的信心。人类居住在太阳系中的一颗小小行星上，他们的文明不过万年的历史，现代科学创立不过300年，但他们的智慧贯穿整个时空，从最小的量子到最大的宇宙尺度，从大爆炸的那一刻到时间的终点，从最近的白矮星到最远的宇宙视界，没有什么可以阻挡我们探寻的步伐。这一切，都来自于我们对于成功的信念，对于科学的依赖，以及对于神奇的自然那永无休止的好奇。
我衷心地希望各位在这次的量子旅程中获得了一些非凡的体验，也许它带来困惑，但它毕竟指向希望。我必须在这里和各位告别，但量子论的路仍然没有走完，它仍然处在迷宫之中，前途漫漫，还有无数未知的秘密有待发掘，我们仍然必须努力去上下求索。这剩下的旅程，必须由各位独立去完成，因为前面尚没有路，它要靠我们亲手去开辟出来。
也许有一天，你的名字也会成为量子历史的一部分，被镌刻在路边的纪念碑上，再一次召唤后来的过路人对于一段伟大时光的深切怀念。谁又知道呢？
（全文完）
家园 【文摘】上帝掷骰子吗――量子物理史话（后记，主要参考资料与附录） 上帝掷骰子吗（后记，主要参考资料与附录）
作者：castor_v_pollux 发表日期：2004-06-07 12:14:14
后记
这个有关量子论的系列自去年开始动笔，其间因为各种原因（包括本人不可思议的懒惰），写写停停，到最后完成时用了正好差不多一年时间。最需要感谢的是读者们异乎寻常的热情和支持，不然我很可能半途而废。
我最初构想的规模只是一篇4，5万字的极简介绍，不料逐渐收不住笔，最后完成的时候在我的WORD里已经超过200页，25万字，当时真是不敢想象。这不是专业的科普，事实上，我更注重的是历史方面而不是科学方面，不过读者可以在其中获得一个基本的量子论的科学概念。我努力使它成为极通俗的读物，事实上，我仅仅假定读者具有初中的数学水平和一点点高中物理知识（如果你具有以上水平但仍看不懂某些内容，那一定是我写作的问题^_^）。即使是对数理完全不通，我也希望你可以从中得到一点启示。但不可避免地，运用日常化的语言会使一些描述显得牵强附会，不符合物理上的概念。所以再次强调，这不是专业的科普，如果想获得对量子论更好更准确的认识，各位还是参考一些专业书籍。上帝是数学家，唯一能够描述宇宙的语言是数学！我们的史话也非专业的科学史，它仅仅是供各位茶余饭后消遣的读物而已，如果有人竟然凭借这个系列而证明了某些“伟大理论”，那我可受宠若惊，担当不起。其实，我和各位一样是门外汉，只要各位能够和我共同分享一些由量子论带来的激动和惊奇，我便已经心满意足。
这个系列是本人业余时间在网上完成的，一来水平问题，二来毕竟业余时间有限，所以无疑存在为数众多的bugs。虽然我努力使描述符合历史与事实（一般来说，除了一些明显的虚构情节外，本文中的历史场景都是有依据的），但有些地方确实没能查阅更多的资料以进一步核实（比如我曾经想啃完那6本大块头的量子力学发展史，不过最终还是留下一些没看完）。我已经发现了一些错误之处，在将来的修订中会改正过来，也希望各位指出更多的地方。另外，由于写了很长时间，所以没有很好地规划，比如第4章只写了4节，而有些重要的方面却忘了描写，或者没法插进现有的叙事结构中去。比如玻色-爱因斯坦统计，斯特恩-格拉赫实验，量子加密术，等等。现在这个只是初稿，其中有些章节很罗嗦，有些地方枯燥无味，有些比喻莫名其妙，还有一些名词翻译的问题，以及一些东拼西凑的痕迹，修订的时候我会试图解决这些问题，并配上一些插图。
我有意使文字风格靠近同龄人的语境，也就是7，80年代的风格。这是一种取巧的办法，因为这些是网上的主要人口，不过我很高兴它带有一些网络特色。为了追求可读性，在不改变基本事实的前提下，我有的时候做了一点文字上的夸张（比如历史上的玻尔-爱因斯坦之争很可能没有我所描写得那样戏剧化），我为此表示抱歉，也希望这不会损害读者对我的信心。这篇文字主要还是在网上流行（因为有人辛苦转贴，所以它似乎流传很广），有些读者很希望它可以出版，也许修订后有人真的愿意出版它，不过由于本人的效率低下，这一天似乎还遥遥无期，呵呵。
关于本文任何的意见，比如知识错误，信息过时，文字风格，遗漏与补充，哲学观与讨论，都可以发信到[email protected]，我很乐意听取各位的意见，也算是网络文字的一种互动形式。
最后，把这篇文章送给那个女孩，以回赠她曾经送给我的那些可爱笑容。
CAPO
2004.5
主要参考资料：
I. 书（中文名的是中译本，没有出版社的是网上版）：
The Historical Development of Quantum Theory I-VI, Jagdish Mehra&Helmut Rechenberg, Springer 1982-
最详尽和权威的量子力学发展史，共6大册，有大量的资料
An Introduction to Quantum Theory, Keith Hannabuss, Oxford 1997
不错的量子力学教科书
Quantum Theory, David Bohm, Constable 1951
玻姆经典的量力教科书
The Strange Story of the Quantum, Banesh Hoffmann, Dover 1959
霍夫曼的经典量子科普，虽然年代久远，但对我们的史话借鉴颇多
100 Years of Planck’s Quantum, Ian Duck&E.C.G. Sundarshan, World Scientific 2000
量子百年回顾，收集了量子发展史上的经典论文
Beyond the Quantum, Michael Talbot, Bantam Books 1988
关于量子思想和发展史的评述
The Construction of Modern Science, R.S. Westfall, Cambridge 1977
介绍早期近代科学的发展，可以找到光学和力学的发展史
Never at Rest, R.S. Westfall, Cambridge 1980
牛顿的标准传记，着重参考他发展光学的历史
The Newton Handbook, Gerek Gjertsen, Routledge&Kegan Paul 1986
关于牛顿的细节琐事，可以找到有关他的名言的资料
The Man Who Knew Too Much, Stephen Inwood, MacMilan 2002
最新的胡克传记，参考了胡克的有关事迹
Thomas Young, Natural Philosopher, Alexander Wood, Cambridge 1954
杨的标准传记
Niels Bohr: Gentle Genius of Denmark, Spangenburg&Moser, Facts on File 1995
最新的玻尔传记
Niels Bohr: The Man, His Science & The World They Changed, Ruth Moore, Knopf 1966
老的玻尔标准传记，简洁精悍
Niels Bohr’s Times: in Physics, Philosophy and Polity, Abraham Pais, Oxford 1991
派斯的关于玻尔的书，在一些问题上有补充价值
Uncertainty: The Life and Science of Werner Heisenberg, David Cassidy, Freeman 1992
海森堡的标准传记，着重参考矩阵力学和不确定原理的创立过程
Niels Bohr: A Centenary Volume, French & Kennedy, Harvard 1985
关于玻尔的有关回忆和资料，哥本哈根研究所的故事
尼尔斯•玻尔哲学文选，戈革译
戈革先生是公认的玻尔专家，强烈推荐，可领略玻尔的博大思想
物理学与哲学, Heisenber, 范岱年译
网上的海森堡的译作，可参考关于哥本哈根解释
Schrodinger: Life and Thought, Walter Moore, Cambridge 1989
薛定谔的标准传记，着重参考波动力学的创立过程
Dirac: A Scientific Biography, Helge Kragh, Cambridge 1990
狄拉克的标准传记
爱因斯坦传，聂运伟
我手里反而没有爱因斯坦的合适资料，这个是网上流行的爱因斯坦传
In Search of Schrodinger’s Cat, John Gribbin, Wildwood House 1984
Gribbin的名著，一本量子力学极简史
Schrodinger’s Kittens and the Search for Reality, John Gribbin, Weidenfeld&Nicolson 1995
上一本的续作，介绍了一些新的发展
Copenhagen, Michael Frayn, Methuen 1998
《哥本哈根》一剧的剧本
Heisenberg and the Nazi Atomic Bomb Project, Paul Rose, UC Berkeley 1998
Hitler’s Uranium Club, Jeremy Bernstein, AIP 1996
以上两本是关于海森堡和德国原子弹计划的详尽历史分析
The Emperor’s New Mind, Roger Penrose, Oxford 1989
彭罗斯关于计算机人工智能和精神的名著。其中也讨论了量子论，量子引力等问题。
Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, J.S. Bell, Cambridge 1987
贝尔的论文集
The Ghost in the Atom, P.Davis&J.Brown, Cambridge 1986
BBC在阿斯派克特实验后对于量子专家们的访谈记录
The Metaphysics of Quantum Theory, Henry Krips, Oxford 1987
量子论的形而上学讨论，有包括Stapp在内的主要不同见解者的介绍
The Philosophy of Quantum Mechanics, Richard Healey, Cambridge 1989
关于量子哲学的讨论
The Intepretation of Quantum Mechanics, Roland Omnès, Princeton 1994
Omnès的量子教科书，有各种量子解释的全面介绍和讨论，主要有退相干历史的说明
The Fabric of Reality, David Deutsch, Allen Lane 1997
德义奇的通俗著作，可找到量子计算机和多宇宙的详尽介绍
The Quark and the Jaguar, Murray Gell-Mann, Freeman 1994
盖尔曼的通俗作品，可以找到退相干历史的通俗解释
时间简史（A Brief History of Time）, S.Hawking，许明贤、吴忠超译
大家都熟悉的名作。可参考关于打赌的某些片断，以及一些量子引力问题
Black Holes and Time Warps, Kip Thorne, W.W.Norton 1994
主要讲黑洞问题，但可找到霍金打赌的一些片断
时间之箭（The Arrow of Time）, P.Coveney&R. Highfield
这个是的网上中译本，主要讲时间之矢的问题，有量子论的一般介绍
Superstrings, A Theory of Everything? P.Davis&J.Brown, Cambridge 1988
BBC对于超弦专家们的访谈记录
The Elegant Universe, Brian Greene, W.W. Norton 1999
畅销的介绍弦论的新科普书
20世纪物理学史, 魏凤文&申先甲, 江西教育出版社1994
不错的20世纪物理史简介，参考量子场论的发展
物理学思想史，杨仲耆&申先甲，湖南教育出版社1993
一本物理学通史
波普尔文集
网上有相当全的波普尔文集，可以参考他对于量子论的看法
II. 文章
D. Cassidy, Phys. Today July 2000, p28
有关海森堡1941年在哥本哈根同玻尔的会面
Max Tegmark, Fortschr. Phys. 46 p855
Tegmark宣传MWI的文章
Aspect et al, Phys. Rev. Lett. 49 p91
阿斯派克特的实验报告
A. Aspect, Nature 398 p189
阿斯派克特亲自写的关于贝尔不等式实验的简史
Anton Zeilinger, Nature 408 p639
Tegmark&Wheeler, Scientific American Feb 2001, p68
以上两篇是量子论百年的回顾和展望
Yurke&Stoler, Phys. Rev. Lett. 68, p1251
Jennewein et al, Phys. Rev. Lett. 88, 017903
Aerts et al, Found. Phys. 30, p1387
Rowe et al, Nature 409, p791
Z.Zhao et al, Phys. Rev. Lett. 90 207901
Hasegawa et al, oai:arXiv.org:quant-ph/0311121
Pittman&Franson, Physical Review 90 240401
一些关于贝尔不等式和量子通讯实验的报告
J.W.Pan et al, Nature 403 p515
潘建伟等人关于GHZ测试的报告
Ghirardi, Rimini&Weber, Phys. Rev. D34, 470
GRW模型
Wojciech H. Zurek, Rev. Mod. Phys. 75 p715
Wojciech H. Zurek, Phys. Today 44 p36
Zurek关于退相干理论的全面介绍
R.B. Griffiths, Phys. Lett. A 265 p12
退相干历史的介绍
Ghirardi, Phys.Lett. A265 p153
Bassi&Ghirardi, J.Statist.Phys. 98 p457
Bassi&Ghirardi, Phys.Lett. A257 p247
Ghirardi等人对于DH解释的质疑
Jim Giles, Nature 420, p354
科学家打赌的文章
III. 网页
许多参考过的网页不记得地址了，不过我一般尽量引用比较可靠的资料。以下是一些经常光顾的网页地址，可能有遗漏。
http://www.nbi.dk
玻尔研究所的官方网站
http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page
维基百科
http://arxiv.org/
康奈尔大学的电子论文数据库
各大科学杂志的主页，比如http://www.nature.com，http://www.sciencemeg.org，http://www.aip.org/pt，http://www.sciam.com等等
http://www-gap.dcs.st-and.ac.uk/~history/index.html
圣安德鲁大学的科学家传记网页
http://www.nobel.se/
诺贝尔奖电子博物馆
http://www.fortunecity.com/emachines/e11/86/qphil.html
量子哲学与物理实在
http://www.quantumphil.org/
有关量子纠缠和量子哲学的网站
http://home.earthlink.net/~johnfblanton/physics/epr.htm
EPR与物理实在
http://www-physics.lbl.gov/~stapp/stappfiles.html
斯塔普的网页，有各种关于量子论和量子意识的文章
http://www.hep.upenn.edu/~max/everett/
埃弗莱特的网上传记
http://www.hedweb.com/everett/everett.htm
多世界解释FAQ
http://superstringtheory.com/
号称官方的超弦网站
附录：量子力学发展大事记
1690年，惠更斯出版《光论》，波动说被正式提出
1704年，牛顿出版《光学》，微粒说成为主导
1807年，杨整理了光方面的工作，提出了双缝干涉实验，波动说再一次登上舞台
1819年，菲涅尔证明光是一种横波
1856－1865，麦克斯韦建立电磁力学，光被解释为电磁波的一种
1885年，巴尔末提出了氢原子光谱的经验公式
1887年，赫兹证实了麦克斯韦电磁理论，但他同时也发现了光电效应现象
1893年，黑体辐射的维恩公式被提出
1896年，贝克勒耳发现了放射性
1896年，发现了光谱的塞曼效应
1897年，J.J.汤姆逊发现了电子
1900年，普朗克提出了量子概念，以解决黑体问题
1905年，爱因斯坦提出了光量子的概念，解释了光电效应
1910年，α粒子散射实验
1911年，超导现象被发现
1913年，玻尔原子模型被提出
1915年，索末菲修改了玻尔模型，引入相对论，解释了塞曼效应和斯塔克效应
1918年，玻尔的对应原理成型
1922年，斯特恩-格拉赫实验
1923年，康普顿完成了X射线散射实验，光的粒子性被证实
1923年，德布罗意提出物质波的概念
1924年，玻色-爱因斯坦统计被提出
1925年，泡利提出不相容原理
1925年，戴维逊和革末证实了电子的波动性
1925年，海森堡创立了矩阵力学，量子力学被建立
1925年，狄拉克提出q数
1925年，乌仑贝克和古德施密特发现了电子自旋
1926年，薛定谔创立了波动力学
1926年，波动力学和矩阵力学被证明等价
1926年，费米-狄拉克统计
1927年，G.P.汤姆逊证实了电子的波动性
1927年，海森堡提出不确定性原理
1927年，波恩作出了波函数的概率解释
1927年，科莫会议和第五届索尔维会议召开，互补原理成型
1928年，狄拉克提出了相对论化的电子波动方程，量子电动力学走出第一步
1930年，第6届索尔维会议召开，爱因斯坦提出光箱实验
1932年，反电子被发现
1932年，查德威克发现中子
1935年，爱因斯坦提出EPR思维实验
1935年，薛定谔提出猫佯谬
1935年，汤川秀树预言了介子
1938年，超流现象被发现
1942年，费米建成第一个可控核反应堆
1942年，费因曼提出路径积分方法
1945年，第一颗原子弹爆炸
1947年，第一个晶体管
1948年，重正化理论成熟，量子电动力学被彻底建立
1952年，玻姆提出导波隐变量理论
1954年，杨-米尔斯规范场，后来发展出量子色动力学
1956年，李政道和杨振宁提出弱作用下宇称不守恒，不久被吴健雄用实验证实
1957年，埃弗莱特提出多世界解释
1960年，激光技术被发明
1963年，盖尔曼等提出夸克模型
1964年，贝尔提出贝尔不等式
1964年，CP对称性破缺被发现
1968年，维尼基亚诺模型建立，导致了弦论的出现
1970年，退相干理论被建立
1973年，弱电统一理论被建立
1973年，核磁共振技术被发明
1974年，大统一理论被提出
1975年，τ子被发现
1979年，惠勒提出延迟实验
1982年，阿斯派克特实验，定域隐变量理论被排除
1983年，Z0中间玻色子被发现，弱电统一理论被证实
1984年，第一次超弦革命
1984年，格里芬斯提出退相干历史解释，后被哈特尔等人发扬
1986年，GRW模型被提出
1993年，量子传输理论开始起步
1995年，顶夸克被发现
1995年，玻色-爱因斯坦凝聚在实验室被做出
1995年，第二次超弦革命开始
家园 【文摘】上帝掷骰子吗――量子物理史话（12-2） 上帝掷骰子吗（12-2）
作者：castor_v_pollux 发表日期：2004-06-07 12:09:24
第十二章 新探险
二
按照退相干历史（DH）的解释，假如我们把宇宙的历史分得足够精细，那么实际上每时每刻都有许许多多的精粒历史在“同时发生”（相干）。比如没有观测时，电子显然就同时经历着“通过左缝”和“通过右缝”两种历史。但一般来说，我们对于过分精细的历史没有兴趣，我们只关心我们所能观测到的粗粒历史的情况。因为互相脱散（退相干）的缘故，这些历史之间失去了联系，只有一种能够被我们感觉到。
按照历史颗粒的粗细，我们可以创建一棵“历史树”。还是拿我们的量子联赛来说，一个球队在联赛中的历史，最粗可以分到什么程度呢？也许我们可以把它仅仅分成两种：“得到联赛冠军”和“没有得到联赛冠军”。在这个极粗的层面上，我们只具体关心有否获得冠军，别的一概不理，它们都将在计算中被加遍。但是我们也可以继续“精确”下去，比如在“得到冠军”这个分支上，还可以继续按照胜率再区分成“夺冠并且胜率超过50％”和“夺冠但胜率不超过50％”两个分支。类似地我们可以一直分下去，具体到总共获胜了几场，具体到每场的胜负……一直具体到每场的详细比分为止。当然在现实中我们仍可以继续“精粒化”，具体到谁进了球，球场来了多少观众，其中多少人穿了红衣服，球场一共长了几根草之类。但在这里我们假设，一场球最详细的信息就是具体的比分，没有更加详细的了。这样一来，我们的历史树分到具体的比分就无法再继续分下去，这最底下的一层就是“树叶”，也称为“最精粒历史”（maximally fine-grained histories）。
对于两片树叶来讲，它们通常是互相相干的。我们无法明确地区分1:0获胜和2:0获胜这两种历史，因此也无法用传统的概率去计算它们。但我们可以通过适当的粗粒化来构建符合常识的那些历史，比如我们可以区分“胜”，“平”和“负”这三大类历史，因为它们之间已经失去了干涉，退相干了。如此一来，我们就可以用传统的经典概率来计算这些历史，这就形成了“一族”退相干历史（a decoherent family of histories），只有在同一族里，我们才能运用通常的理性逻辑来处理它们之间的概率关系。有的时候，我们也不说“退相干”，而把它叫做“一致历史”（consistent histories），DH的创建人之一格里菲斯就爱用这个词，因此“退相干历史”也常常被称为“一致历史”解释，更加通俗一点，也可以称为“多历史”（many histories）理论。
一般来说，在历史树上越接近根部（往上），粗粒化就越厉害，其干涉也就越小。当然，并非所有的粗粒历史之间都没有干涉，可以被赋予传统概率，具体地要符合某种“一致条件”（consistency condition），而这些条件可以由数学严格地推导出来。
现在让我们考虑薛定谔猫的情况：当那个决定命运的原子衰变时，就这个原子本身来说，它的确经历着衰变/不衰变两种可能的精粒历史。原子本身只是单个粒子，我们忽略的东西并不多。但一旦猫被拖入这个剧情之中，我们的历史剧本换成了猫死/猫活两种，情况就不同了！无论是“猫死”还是“猫活”都是非常模糊的陈述，描述一只猫具体要用到10^27个粒子，当我们说“猫活”的时候，我们忽略了这只猫与外界的一切作用，比如它如何呼吸，如何与外界进行物质和能量交换……等等。就算是“猫死”，它身上的n个粒子也仍然要和外界发生相互作用。换句话说，“猫活”和“猫死”其实是两大类历史的总和，就像“胜”是“1:0”，“2:0”，“2:1”……等历史的总和一样。当我们计算“猫死”和“猫活”之间的干涉时，我们其实穷尽了这两大类历史下的每一对精粒历史之间的干涉，而它们绝大多数都最终抵消掉了。“猫死”和“猫活”之间那千丝万缕的联系于是被切断，它们退相干，最终只有其中的一个真正发生！如果从密度矩阵的角度来看问题，则其表现为除了矩阵对角线上的那些经典概率之外，别的干涉项都迅速消减为0：矩阵“对角化”了！而这里面既没有自发的随机定域，也没有外部的“观测者”，更没有看不见的隐变量！
如果DH解释是正确的，那么我们每时每刻其实都经历着多重的历史，世界上的每一个粒子，事实上都处在所有可能历史的叠加中！但一旦涉及到宏观物体，我们所能够观察和描述的则无非是一些粗粒化的历史，当细节被抹去时，这些历史便互相退相干，永久地失去了联系。比方说如果最终猫还活着，那么“猫死”这个分支就从历史树上被排除了，按照奥卡姆剃刀，我们不妨说这些历史已经不存在于宇宙之中。
嗯，虽然听起来古怪，但它至少可以自圆其说，不是吗？粗粒化的方法看起来可能让人困惑，但其实却并没有那么大惊小怪，我们事实上经常有意无意地用到这些办法。比如在中学里我们计算地球和太阳之间的引力，我们把两个星球“粗粒化”为两个质点。实际上地球和太阳是两个庞大的球体，但以质心代替所有的点，而忽略它们的具体位置之后，我们实际上已经不知不觉地加遍了两个球体内部每一对质点之间的吸引力。在DH解释中，我们所做的只不过更加复杂一点罢了。
从数学上说，DH是定义得很好的一个理论，而从哲学的雅致观点来看，其支持者也颇为得意地宣称它是一种假设最少，而最能体现“物理真实”的理论。但是，DH的日子也并不像宣扬的那样好过，对其最猛烈的攻击来自我们在上一章提到过的，GRW理论的创立者之一GianCarlo Ghirardi。自从DH理论创立以来，这位意大利人和其同事至少在各类物理期刊上发表了5篇攻击退相干历史解释的论文。Ghirardi敏锐地指出，DH解释并不比传统的哥本哈根解释好到哪里去！
正如我们已经为大家所描述过的那样，在DH解释的框架内我们定义了一系列的“粗粒”的历史，当这些历史符合所谓的“一致条件”时，它们就形成了一个互相之间退相干的历史族（family）。比如在我们的联赛中，针对某一场具体的比赛，“胜”，“平”，“负”就是一个合法的历史族，在它们之间只有一个能够发生，因为它们互相之间都已经几乎没有联系。但是，在数学上利用同样的手法，我们也可以定义一些另外的历史族，它们同样合法！比如我们并不一定关注胜负关系，而可以考虑另外的方面比如进球数。现在我们进行另一种粗粒化，把比赛结果区分为“没有进球”，“进了一个球”，“进了两个球”以及“进了两个以上的球”。从数学上看，这4种历史同样符合“一致条件”，它们构成了另一个完好的退相干历史族！
现在，当我们观测了一场比赛，所得到的结果就取决于所选择的历史族。对于同一场比赛，我们可能观测到“胜”，但换一个角度，也可能观测到“进了两个球”。当然，它们之间并不矛盾，但如果我们仔细地考虑一下，在“现实中”真正发生了什么，这仍然叫我们困惑。
当我们观测到“胜”的时候，我们假设在其属下所有的精粒历史都在发生，比如1:0，2:1，2:0，3:0……所有的历史都发生了，只不过我们观测不到具体的精细结果，也对它们并不感兴趣。可对于同样一场比赛，我们也可能观测到“进了两个球”，这时候我们的假设其实是，所有进了两个球的历史都发生了。比如2:0，2:1，2:2，2:3……
现在我们考虑某种特定的精粒历史，比如说1:0这样一个历史。虽然我们从来不会实际观测到这样一个历史，但这并不妨碍我们去问：1:0的历史究竟发生了没有？当观测结果是“胜”的时候，它显然发生了；而当观测结果是“进了两个球”的时候，它却显然没有发生！可是，我们描述的却是同一场比赛！
DH的本意是推翻教科书上的哥本哈根解释，把观测者从理论中赶出去，还物理世界以一个客观实在的解释。也就是说，所有的物理属性都是超越于你我的观察之外独立存在的，它不因为任何主观事物而改变。但现在DH似乎是哑巴吃黄连――有苦说不出。“1:0的历史究竟是否为真”这样一个物理描述，看来的确要取决于历史族的选择，而不是“客观存在”的！这似乎和玻尔他们是殊途同归：宇宙中没有纯粹的客观的物理属性，所有的属性都只能和具体的观察手段连起来讲！
但DH的支持者辩护说，任何理性的逻辑推理（reasoning），都只能用在同一个退相干家族中，而不能跨家族使用。比如当我们在“胜，平，负”这样一族历史中得到了“1:0的精粒历史发生了”这样一个结论后，我们绝不能把它带到另一族历史（比如“没进球，进1球，进2球，进2球以上”）中去，并与其相互比较。他们把这总结成所谓的“同族原则”（single family rule），并宣称这是量子论中最重要的原则。
这一点先放在一边不论，DH的另一个难题是，在理论中实际上存在着种类繁多的“退相干族”，而我们在现实中观察到的却只有一个！还是拿我们的量子联赛来说，就单单一场比赛而言，我们在前面定义了一个退相干族，也就是“胜，平，负”。这一族中包含了3大种粗粒历史，它们之间都互相退相干。这看上去一点都不错，但问题是，并不只有“胜，平，负”这样的分法是可能的，还有无穷种其他的分法，其中的大部分甚至是千奇百怪，不符合常识的，但理论并没有解释我们为何观测到的不是这些另外的分类！
比方说，我们从理论上定义3种历史：“又胜又平”，“又胜又负”，“又平又负”，这3种历史在数学上同样构成一个合法并且完好的退相干族：它们的概率可以经典相加，你无论观测到其中的哪一种，就无法再观测到另外的两种。但显然在实际中，一场比赛不可能“又胜又负”，那么DH就欠我们一个解释，它必须说明为什么在现实中的比赛是分成“胜，平，负”的，而不是“又胜又平”之类，虽然它们在数学上并没有太大的不同！
在这个问题上，DH的辩护者也许会说，理论只有义务解释现实的运作，而没有义务解释现实的存在！我们是从现实出发去建立理论，而不是从理论出发去建立现实！好比说“1头牛加1头牛等于2头牛”和“1头斯芬克斯加1头斯芬克斯等于2头斯芬克斯”在数学上都是成立的，但数学没有义务解释为什么在现实世界中，实际可供我们相加的只有牛，而没有斯芬克斯这样的怪兽。在这一点上实证主义者和柏拉图主义者往往会产生尖锐的冲突，一个突出的例子是我们在后面将会略微讨论到的超弦理论。弦论用10个维度来解释我们的世界，其中6个维度是蜷缩的，但它没有说明为什么是6个维度蜷缩，而不是5个或者8个维度，这使它受到了一些尖锐的诘问。但实证主义者常常会对这样的穷追猛打感到奇怪：因为只有假设6个维度蜷缩才能解释我们观测到的现实世界（现实世界是4维的），这就够了嘛，这不就是所有的理由吗？哪还来的那么多刨根问底呢？
不过DH的支持者如果护定这样一种实证主义立场的话，他们也许暂时忽略了建立这个理论的初衷，也就是摆脱玻尔和海森堡的哥本哈根解释――那可是最彻底的实证主义！不管怎么说，在这上面DH的态度是有些尴尬的，而有关量子力学的大辩论也仍在进行之中，我们仍然无法确定究竟谁的看法是真正正确的。量子魔术在困扰了我们超过100年之后，仍然拒绝把它最深刻的秘密展示在世人面前。也许，这一秘密，将终究成为永久的谜题。
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饭后闲话：时间之矢
我们生活在一个4维的世界中，其中3维是空间，1维是时间。时间是一个很奇妙的东西，它似乎和另3维空间有着非常大的不同，最关键的一点是，它似乎是有方向性的！拿空间来说，各个方向没有什么区别，你可以朝左走，也可以向右走，但在时间上，你只能从“过去”向“未来”移动，而无法反过来！虽然有太多的科幻故事讲述人们如何回到过去，但在现实中，这从来也没有发生过，而且很可能永远不会发生！这样猜测的理由还是基于某种类似人择原理的东西：假如理论上可以回到过去，那么虽然我们不行，未来的人却可以，但从未见到他们“回来”我们这个时代。所以很有可能的是，未来任何时代的人们都无法做到让时钟反方向转动，它是理论上无法做到的！
这看起来很正常，无法逆着时间箭头运动，这似乎天经地义。但在物理上，这却是令人困惑的，因为在理论中，似乎没有什么特征可以显示出时间有一个特别的方向。不论是牛顿还是爱因斯坦的理论，它们都是时间对称的！中学老师告诉你t0时刻的状态，你就可以向“未来”前进，推出tn时刻，但也可以反过来向“过去”前进，推出-tn时刻。理论没有告诉我们为什么时间只能向tn移动，而不可以反过来向-tn移动！事实上，在基本层面上，不管时间是正着走还是倒着走，它都是符合物理定律的！但是，一旦脱离基本层面，上升到一个比较高的层次，时间之矢却神秘地出现了：假如我们不考虑单个粒子，而考虑许多粒子的组合，我们就发现一个强烈的方向。比如我们本身只能逐渐变老，而无法越来越年轻，杯子会打碎，但绝不会自动粘贴在一起。这些可以概括为一个非常强大的定律，即著名的热力学第二定律，它说，一个孤立体系的混乱程度总是不断增加的，它的量度称为“熵”。换句话说，熵总是在变大，时间的箭头指向熵变大的那个方向！
现在我们考察量子论。在本节我们讨论了DH解释，所有的“历史”都是定义得很好的，不管你什么时候去测量，这些历史――从过去到未来――都已经在那里存在。我们可以问，当观测了t0时刻后，历史们将会如何退相干，但同样合法的是，我们也可以观测tn时刻，看“之前”的那些时刻如何退相干。实际上，当我们用路径积分把时间加遍的时候，我们仍然没有考虑过时间的方向问题，它在两个方向上都是没有区别的！再说，如果考察量子论的基本数学形式，那么薛定谔方程本身也仍然是时间对称的，唯一引起不对称的是哥本哈根所谓的“坍缩”，难道时间的“流逝”，其实等价于波函数不停的“坍缩”？然而DH是不承认这种坍缩的，或许，我们应当考虑的是历史树的裁剪？盖尔曼和哈特等人也试图从DH中建立起一个自发的时间箭头来，并将它运用到量子宇宙学中去。
我们先不去管DH，如果仔细考虑“坍缩”，还会出现一个奇怪现象：假如我们一直观察系统，那么它的波函数必然“总是”在坍缩，薛定谔波函数从来就没有机会去发展和演化。这样，它必定一直停留在初始状态，看上去的效果相当于时间停滞了。也就是说，只要我们不停地观察，波函数就不演化，时间就会不动！这个佯谬叫做“量子芝诺效应”（quantum Zeno effect），我们在前面已经讨论过了芝诺的一个悖论，也就是阿喀琉斯追乌龟，他另有一个悖论是说，一支在空中飞行的箭，其实是不动的。为什么呢？因为在每一个瞬间，我们拍一张snapshot，那么这支箭在那一刻必定是不动的，所以一支飞行的箭，它等于千千万万个“不动”的组合。问题是，每一个瞬间它都不动，连起来怎么可能变成“动”呢？所以飞行的箭必定是不动的！在我们的实验里也是一样，每一刻波函数（因为观察）都不发展，那么连在一起它怎么可能发展呢？所以它必定永不发展！
从哲学角度来说我们可以对芝诺进行精彩的分析，比如恩格斯漂亮地反驳说，每一刻的箭都处在不动与动的矛盾中，而真实的运动恰好是这种矛盾本身！不过我们不在意哲学探讨，只在乎实验证据。已经有相当多的实验证实，当观测频繁到一定程度时，量子体系的确表现出芝诺效应。这是不是说，如果我们一直盯着薛定谔的猫看，则它永远也不会死去呢？
时间的方向是一个饶有趣味的话题，它很可能牵涉到深刻的物理定律，比如对称性破缺的问题。在极早期宇宙的研究中，为了彻底弄明白时间之矢如何产生，我们也迫切需要一个好的量子引力理论，在后面我们会更详细地讲到这一点。我们只能向着未来，而不是过去前进，这的确是我们神奇的宇宙最不可思议的方面之一。
外链图片需谨慎，可能会被源头改家园 【文摘】上帝掷骰子吗――量子物理史话（12-3） 上帝掷骰子吗（12-3）
作者：castor_v_pollux 发表日期：2004-06-07 12:10:49
第十二章 新探险
三
好了各位，到此为止，我们在量子世界的旅途已经接近尾声。我们已经浏览了绝大多数重要的风景点，探索了大部分先人走过的道路。但是，正如我们已经强烈地感受到的那样，对于每一条道路来说，虽然一路上都是峰回路转，奇境叠出，但越到后来却都变得那样地崎岖不平，难以前进。虽说“入之愈深，其进愈难，而其见愈奇”，但精神和体力上的巨大疲惫到底打击了我们的信心，阻止了我们在任何一条道上顽强地冲向终点。
当一次又一次地从不同的道路上徒劳而返之后，我们突然发现，自己已经处在一个巨大的迷宫中央。在我们的身边，曲折的道路如同蛛网一般地辐射开来，每一条都通向一个幽深的不可捉摸的未来。我已经带领大家去探讨了哥本哈根、多宇宙、隐变量、系综、GRW、退相干历史等6条道路，但要告诉各位的是，仍然还有非常多的偏僻的小道，我们并没有提及。比如有人认为当进行了一次“观测”之后，宇宙没有分裂，只有我们大脑的状态（或者说“精神”）分裂了！这称为“多精神解释”（many-minds intepretation），它名副其实地算得上一种精神分裂症！还有人认为，在量子层面上我们必须放弃通常的逻辑（布尔逻辑），而改用一种“量子逻辑”来陈述！另一些人不那么激烈，他们觉得不必放弃通常的逻辑，但是通常的“概率”概念则必须修改，我们必须引入“复”的概率，也就是说概率并不是通常的0到1，而是必须描述为复数！华盛顿大学的物理学家克拉默（John G Cramer）建立了一种非定域的“交易模型”（The transactional model），而他在牛津的同行彭罗斯则认为波函数的缩减和引力有关。彭罗斯宣称只要空间的曲率大于一个引力子的尺度，量子线性叠加规则就将失效，这里面还牵涉到量子引力的复杂情况诸如物质在跌入黑洞时如何损失了信息……等等，诸如此类。即便是我们已经描述过的那些解释，我们的史话所做的也只是挂一漏万，只能给各位提供一点最基本的概念。事实上，每一种解释都已经衍生出无数个变种，它们打着各自的旗号，都在不遗余力地向世人推销自己，这已经把我们搞得头晕脑胀，不知所措了。现在，我们就像是被困在克里特岛迷宫中的那位忒修斯（Theseus），还在茫然而不停地摸索，苦苦等待着阿里阿德涅（Ariadne）――我们那位可爱的女郎――把那个指引方向，命运攸关的线团扔到我们手中。
1997年，在马里兰大学巴尔的摩郡分校（UMBC）召开了一次关于量子力学的研讨会。有人在与会者中间做了一次问卷调查，统计究竟他们相信哪一种关于量子论的解释。结果是这样的：哥本哈根解释13票，多宇宙8票，玻姆的隐变量4票，退相干历史4票，自发定域理论（如GRW）1票，还有18票都是说还没有想好，或者是相信上述之外的某种解释。到了1999年，在剑桥牛顿研究所举行的一次量子计算会议上，又作了一次类似的调查，这次哥本哈根4票，修订过的运动学理论（它们对薛定谔方程进行修正，比如GRW）4票，玻姆2票，而多世界（MWI）和多历史（DH）加起来（它们都属于那种认为“没有坍缩存在”的理论）得到了令人惊奇的30票。但更加令人惊奇的是，竟然有50票之多承认自己尚无法作出抉择。在宇宙学家和量子引力专家中，MWI受欢迎的程度要高一些，据统计有58％的人认为多世界是正确的理论，而只有18％明确地认为它不正确。但其实许多人对于各种“解释”究竟说了什么是搞不太清楚的，比如人们往往弄不明白多世界和多历史到底差别在哪里，或许，它们本来就没有明确的分界线。就算是相信哥本哈根的人，他们互相之间也会发生严重的分歧，甚至关于它到底是不是一个决定论的解释也会造成争吵。量子论仍然处在一个战国纷争的时代，玻尔，海森堡，爱因斯坦，薛定谔……他们的背影虽然已经离我们远去，但他们当年曾战斗过的这片战场上仍然硝烟弥漫，他们不同的信念仍然支撑着新一代的物理学家，激励着人们为了那个神圣的目标而继续奋战。
想想也真是讽刺，量子力学作为20世纪物理史上最重要的成就之一，到今天为止它的基本数学形式已经被创立了将近整整80年。它在每一个领域内都取得了巨大的成功，以致和相对论一起成为了支撑物理学的两大支柱。80年！任何一种事物如果经历了这样一段漫长时间的考验后仍然屹立不倒，这已经足够把它变成不朽的经典。岁月将把它磨砺成一个完美的成熟的体系，留给人们的只剩下深深的崇敬和无限的唏嘘，慨叹自己为何不能生于乱世，提三尺剑立不世功名，参予到这个伟大工作中去。但量子论是如此地与众不同，即使在它被创立了80年之后，它仍然没有被最后完成！人们仍在为了它而争吵不休，为如何“解释”它而闹得焦头烂额，这在物理史上可是前所未有的事情！想想牛顿力学，想想相对论，从来没有人为了如何“解释”它们而操心过，对比之下，这更加凸现出量子论那独一无二的神秘气质。
人们的确有理由感到奇怪，为什么在如此漫长的岁月过去之后，我们不但没有对量子论了解得更清楚，反而越来越感觉到它的奇特和不可思议。最杰出的量子论专家们各执一词，人人都声称只有他的理解才是正确的，而别人都错了。量子谜题已经成为物理学中一个最神秘和不可捉摸的部位，Zeilinger有一次说：“我做实验的唯一目的，就是给别的物理学家看看，量子论究竟有多奇怪。”到目前为止，我们手里已经攥下了超过一打的所谓“解释”，而且它的数目仍然有望不断地增加。很明显，在这些花样繁多的提议中间，除了一种以外，绝大多数都是错误的。甚至很可能，到目前为止所有的解释都是错误的，但这却并没有妨碍物理学家们把它们创造出来！我们只能说，物理学家的想象力和创造力是非凡的，但这也引起了我们深深的忧虑：到底在多大程度上，物理理论如同人们所骄傲地宣称的那样，是对于大自然的深刻“发现”，而不属于物理学家们杰出的智力“发明”？
但从另外一方面看，我们对于量子论本身的确是没有什么好挑剔的。它的成功是如此巨大，以致于我们除了咋舌之外，根本就来不及对它的奇特之处有过多的评头论足。从它被创立之初，它就挟着雷霆万钧的力量横扫整个物理学，把每个角落都塑造得焕然一新。或许就像狄更斯说的那样，这是最坏的时代，但也是最好的时代。
量子论的基本形式只是一个大的框架，它描述了单个粒子如何运动。但要描述在高能情况下，多粒子之间的相互作用时，我们就必定要涉及到场的作用，这就需要如同当年普朗克把能量成功地量子化一样，把麦克斯韦的电磁场也进行大刀阔斧的量子化――建立量子场论（quantum field theory）。这个过程是一个同样令人激动的宏伟故事，如果铺展开来叙述，势必又是一篇规模庞大的史话，因此我们只是在这里极简单地作一些描述。这一工作由狄拉克开始，经由约尔当、海森堡、泡利和维格纳的发展，很快人们就认识到：原来所有粒子都是弥漫在空间中的某种场，这些场有着不同的能量形态，而当能量最低时，这就是我们通常说的“真空”。因此真空其实只不过是粒子的一种不同形态（基态）而已，任何粒子都可以从中被创造出来，也可以互相湮灭。狄拉克的方程预言了所谓的“反物质”的存在，任何受过足够科普熏陶的读者对此都应该耳熟能详：比如一个正常的氢原子由带正电的质子和带负电的电子组成，但在一个“反氢原子”中，质子却带着负电，而电子带着正电！当一个原子和一个“反原子”相遇，它们就轰隆一声放出大量的能量辐射，然后双方同时消失得无影无踪，其关系就符合20世纪最有名的那个物理方程：E＝mc^2！
最早的“反电子”由加州理工的安德森（Carl Anderson）于1932年在研究宇宙射线的时候发现。它的意义是如此重要，以致于仅仅过了4年，诺贝尔奖评委会就罕见地授予他这一科学界的最高荣誉。
但是，虽然关于辐射场的量子化理论在某些问题上是成功的，但麻烦很快就到来了。1947年，在《物理评论》上刊登了有关兰姆移位和电子磁矩的实验结果，这和现有的理论发生了微小的偏差，于是人们决定利用微扰办法来重新计算准确的值。但是，算来算去，人们惊奇地发现，当他们想尽可能地追求准确，而加入所有的微扰项之后，最后的结果却适得其反，它总是发散为无穷大！
这可真是让人沮丧的结果，理论算出了无穷大，总归是一件荒谬的事情。为了消除这个无穷大，无数的物理学家们进行了艰苦卓绝，不屈不挠的斗争。这个阴影是如此难以驱散，如附骨之蛆一般地叫人头痛，以至于在一段时间里把物理学变成了一个让人无比厌憎的学科。最后的解决方案是日本物理学家朝永振一郎、美国人施温格（Julian S Schwiger）和戴森（Freeman Dyson），还有那位传奇的费因曼所分别独立完成的，被称为“重正化”（renormalization）方法，具体的技术细节我们就不用理会了。虽然认为重正化牵强而不令人信服的科学家大有人在，但是采用这种手段把无穷大从理论中赶走之后，剩下的结果其准确程度令人吃惊得瞠目结舌：处理电子的量子电动力学（QED）在经过重正化的修正之后，在电子磁距的计算中竟然一直与实验值符合到小数点之后第11位！亘古以来都没有哪个理论能够做到这样教人咋舌的事情。
实际上，量子电动力学常常被称作人类有史以来“最为精确的物理理论”，如果不是实验值经过反复测算，这样高精度的数据实在是让人怀疑是不是存心伪造的。但巨大的胜利使得一切怀疑都最终迎刃而解，QED也最终作为量子场论一个最为悠久和成功的分支而为人们熟知。虽然最近彭罗斯声称说，由于对赫尔斯-泰勒脉冲星系统的观测已经积累起了如此确凿的关于引力波存在的证明，这实际上使得广义相对论的精确度已经和实验吻合到10的负14次方，因此超越了QED（赫尔斯和泰勒获得了1993年诺贝尔物理奖）。但无论如何，量子场论的成功是无人可以否认的。朝永振一郎，施温格和费因曼也分享了1965年的诺贝尔物理奖。
抛开量子场论的胜利不谈，量子论在物理界的几乎每一个角落都激起激动人心的浪花，引发一连串美丽的涟漪。它深入固体物理之中，使我们对于固体机械和热性质的认识产生了翻天覆地的变化，更打开了通向凝聚态物理这一崭新世界的大门。在它的指引下，我们才真正认识了电流的传导，使得对于半导体的研究成为可能，而最终带领我们走向微电子学的建立。它驾临分子物理领域，成功地解释了化学键和轨道杂化，从而开创了量子化学学科。如今我们关于化学的几乎一切知识，都建立在这个基础之上。而材料科学在插上了量子论的双翼之后，才真正展翅飞翔起来，开始深刻地影响社会的方方面面。在量子论的指引之下，我们认识了超导和超流，我们掌握了激光技术，我们造出了晶体管和集成电路，为一整个新时代的来临真正做好了准备。量子论让我们得以一探原子内部那最为精细的奥秘，我们不但更加深刻地理解了电子和原子核之间的作用和关系，还进一步拆开原子核，领略到了大自然那更为令人惊叹的神奇。在浩瀚的星空之中，我们必须借助量子论才能把握恒星的命运会何去何从：当它们的燃料耗尽之后，它们会不可避免地向内坍缩，这时支撑起它们最后骨架的就是源自泡利不相容原理的一种简并压力。当电子简并压力足够抵挡坍缩时，恒星就演化为白矮星。要是电子被征服，而要靠中子出来抵抗时，恒星就变为中子星。最后，如果一切防线都被突破，那么它就不可避免地坍缩成一个黑洞。但即使黑洞也不是完全“黑”的，如果充分考虑量子不确定因素的影响，黑洞其实也会产生辐射而逐渐消失，这就是以其鼎鼎大名的发现者史蒂芬•霍金而命名的“霍金蒸发”过程。
当物质落入黑洞的时候，它所包含的信息被完全吞噬了。因为按照定义，没什么能再从黑洞中逃出来，所以这些信息其实是永久地丧失了。这样一来，我们的决定论再一次遭到毁灭性的打击：现在，即使是预测概率的薛定谔波函数本身，我们都无法确定地预测！因为宇宙波函数需要掌握所有物质的信息，而这些信息却不断地被黑洞所吞没。霍金对此说了一句同样有名的话：“上帝不但掷骰子，他还把骰子掷到我们看不见的地方去！”这个看不见的地方就是黑洞奇点。不过由于蒸发过程的发现，黑洞是否在蒸发后又把这些信息重新“吐”出来呢？在这点上人们依旧争论不休，它关系到我们的宇宙和骰子之间那深刻的内在关系。
最后，很有可能，我们对于宇宙终极命运的理解也离不开量子论。大爆炸的最初发生了什么？是否存在奇点？在奇点处物理定律是否失效？因为在宇宙极早期，引力场是如此之强，以致量子效应不能忽略，我们必须采取有效的量子引力方法来处理。在采用了费因曼的路径积分手段之后，哈特尔（就是提出DH的那个）和霍金提出了著名的“无边界假设”：宇宙的起点并没有一个明确的边界，时间并不是一条从一点开始的射线，相反，它是复数的！时间就像我们地球的表面，并没有一个地方可以称之为“起点”。为了更好地理解这些问题，我们迫切地需要全新的量子宇宙学，需要量子论和相对论进一步强强联手，在史话的后面我们还会讲到这个事情。
量子论的出现彻底改变了世界的面貌，它比史上任何一种理论都引发了更多的技术革命。核能、计算机技术、新材料、能源技术、信息技术……这些都在根本上和量子论密切相关。牵强一点说，如果没有足够的关于弱相互作用力和晶体衍射的知识，DNA的双螺旋结构也就不会被发现，分子生物学也就无法建立，也就没有如今这般火热的生物技术革命。再牵强一点说，没有量子力学，也就没有欧洲粒子物理中心（CERN），而没有CERN，也就没有互联网的www服务，更没有划时代的网络革命，各位也就很可能看不到我们的史话，呵呵。
如果要评选20世纪最为深刻地影响了人类社会的事件，那么可以毫不夸张地说，这既不是两次世界大战，也不是共产主义运动的兴衰，也不是联合国的成立，或者女权运动，殖民主义的没落，人类探索太空……等等。它应该被授予量子力学及其相关理论的创立和发展。量子论深入我们生活的每一个角落，它的影响无处不在，触手可得。许多人喜欢比较20世纪齐名的两大物理发现相对论和量子论究竟谁更“伟大”，从一个普遍的意义上来说这样的比较是毫无意义的，所谓“伟大”往往不具有可比性，正如人们无聊地争论李白还是杜甫，莫扎特还是贝多芬，汉朝还是罗马，贝利还是马拉多纳，Beatles还是滚石，阿甘还是肖申克……但仅仅从实用性的角度而言，我们可以毫不犹豫地下结论说：是的，量子论比相对论更加“有用”。
也许我们仍然不能从哲学意义上去真正理解量子论，但它的进步意义依旧无可限量。虽然我们有时候还会偶尔怀念经典时代，怀念那些因果关系一丝不苟，宇宙的本质简单易懂的日子，但这也已经更多地是一种怀旧情绪而已。正如电影《乱世佳人》的开头不无深情地说：“曾经有一片属于骑士和棉花园的土地叫做老南方。在这个美丽的世界里，绅士们最后一次风度翩翩地行礼，骑士们最后一次和漂亮的女伴们同行，人们最后一次见到主人和他们的奴隶。而如今这已经是一个只能从书本中去寻找的旧梦，一个随风飘逝的文明。”虽然有这样的伤感，但人们依然还是会歌颂北方扬基们最后的胜利，因为我们从他们那里得到更大的力量，更多的热情，还有对于未来更执着的信心。
外链图片需谨慎，可能会被源头改家园 【文摘】上帝掷骰子吗――量子物理史话（12-4） 上帝掷骰子吗（12-4）
作者：castor_v_pollux 发表日期：2004-06-07 12:11:56
第十二章 新探险
四
但量子论的道路仍未走到尽头，虽然它已经负担了太多的光荣和疑惑，但命运仍然注定了它要继续影响物理学的将来。在经历了无数的风雨之后，这一次，它面对的是一个前所未有强大的对手，也是最后的终极挑战――广义相对论。
标准的薛定谔方程是非相对论化的，在它之中并没有考虑到光速的上限。而这一工作最终由狄拉克完成，最后完成的量子场论实际上是量子力学和狭义相对论的联合产物。当我们仅仅考虑电磁场的时候，我们得到的是量子电动力学，它可以处理电磁力的作用。大家在中学里都知道电磁力：同性相斥，异性相吸，量子电动力学认为，这个力的本质是两个粒子之间不停地交换光子的结果。两个电子互相靠近并最终因为电磁力而弹开，这其中发生了什么呢？原来两个电子不停地在交换光子。想象两个溜冰场上的人，他们不停地把一只皮球抛来抛去，从一个人的手中扔到另一个人那里，这样一来他们必定离得越来越远，似乎他们之间有一种斥力一样。在电磁作用力中，这个皮球就是光子！那么同性相吸是怎么回事呢？你可以想象成两个人背靠背站立，并不停地把球扔到对方面对的墙壁上再反弹到对方手里。这样就似乎有一种吸力使两人紧紧靠在一起。
但是，当处理到原子核内部的事务时，我们面对的就不再是电磁作用力了！比如说一个氦原子核，它由两个质子和两个中子组成。中子不带电，倒也没有什么，可两个质子却都带着正电！如果说同性相斥，那么它们应该互相弹开，而怎么可能保持在一起呢？这显然不是万有引力互相吸引的结果，在如此小的质子之间，引力微弱得基本可以忽略不计，必定有一种更为强大的核力，比电磁力更强大，才可以把它们拉在一起不致分开。这种力叫做强相互作用力。
聪明的各位也许已经猜到了，既然有“强”相互作用力，必定相对地还有一种“弱”相互作用力，事实正是如此。弱作用力就是造成许多不稳定的粒子衰变的原因。这样一来，我们的宇宙中就总共有着4种相互作用力：引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。它们各自为政，互不管辖，遵守着不同的理论规则。
但所有这些力的本质是什么呢？是不是也如同电磁力那样，是因为交换粒子而形成的？日本物理学家汤川秀树――他或许是日本最著名的科学家――预言如此。在强相互作用力中，汤川认为这是因为核子交换一种新粒子――介子（meson）而形成的。他所预言的介子不久就为安德森等人所发现，不过那却是一种不同的介子，现在称为μ子，它和汤川理论无关。汤川所预言的那种介子现在称为π子，它最终在1947年为英国人鲍威尔（Cecil Frank Powell）在研究宇宙射线时所发现。汤川获得了1949年的诺贝尔物理奖，而鲍威尔获得了1950年的。对于强相互作用力的研究仍在继续，人们把那些感受强相互作用力的核子称为“强子”，比如质子、中子等。1964年，我们的盖尔曼提出，所有的强子都可以进一步分割，这就是如今家喻户晓的“夸克”模型。每个质子或中子都由3个夸克组成，每种夸克既有不同的“味道”，更有不同的“颜色”，在此基础上人们发明了所谓的“量子色动力学”（QCD），来描述。夸克之间同样通过交换粒子来维持作用力，这种被交换的粒子称为“胶子”（gluon）。各位也许已经有些头晕脑胀，我们就不进一步描述了。再说详细描述基本粒子的模型需要太多的笔墨，引进太多的概念，但我们的史话所留下的篇幅已经不多，所以只能这样简单地一笔带过。如果想更好地了解有关知识，盖尔曼曾写过一本通俗的读物《夸克与美洲豹》，而伟大的阿西莫夫（Isaac Asimov）则有更多精彩的论述，虽然时代已经不同，但许多作品却仍然并不过时！
强相互作用是交换介子，那么弱相互作用呢？汤川秀树同样预言它必定也交换某种粒子，这种粒子被称为“中间玻色子”。与强作用力所不同的是，弱相互作用力的理论形式看上去同电磁作用力非常相似，这使得人们开始怀疑，这两种力实际上是不是就是同一种东西，只不过在不同的环境中表现得不尽相同而已？特别是当李政道与杨振宁提出了弱作用下宇称不守恒之后，这一怀疑愈加强烈。终于到了60年代，统一弱相互作用力和电磁力的工作由美国人格拉肖（Sheldon Glashow）、温伯格（Steven Weinberg）和巴基斯坦人萨拉姆（Aldus Salam）所完成，他们的成果被称为“弱电统一理论”，3人最终为此得到了1979年的诺贝尔奖。该理论所预言的3种中间玻色子（W＋，W－和Z0）到了80年代被实验所全部发现，更加证实了它的正确性。
物理学家们现在开始大大地兴奋起来了：既然电磁力和弱作用力已经被证明是同一种东西，可以被一个相同的理论所描述，那么我们又有什么理由不去相信，所有的4种力其实都是同一种东西呢？所有的物理学家都相信，上帝――大自然的创造者――他老人家是爱好简单的，他不会把我们的世界搞得复杂不堪，让人摇头叹气，他必定按照某一种标准的模式创造了这个宇宙！而我们要做的工作，就是把上帝所依据的这个蓝图找出来。这蓝图必定只有一份，而所有的物理现象，物理力都被涵盖在这个设计之中！如果模仿《独立宣言》中那著名的句子，物理学家完全愿意宣称：
我们认为这是不言而喻的事实：每一种力都是被相同地创造的。
We hold the truth to be self-evident, that all forces are created equal.
是啊，要是真有那么一个理论，它可以描述所有的4种力，进而可以描述所有的物理现象，那该是怎样一幅壮观的场面啊！那样一来，整个自然，整个物理就又重新归于统一之中，就像史诗中所描写的那个传奇的黄金时代与伟大的经典帝国，任何人都无法抗拒这样一种诱人的景象，仿佛一个新的伟大时代就在眼前。戎马已备，戈矛已修，浩浩荡荡的大军终于就要出发，去追寻那个失落已久的统一之梦。
现在，弱作用力和电磁力已经被合并了，下一个目标是强相互作用力，正如我们已经介绍的那样，这块地域目前为止被量子色动力学所统治着。但幸运地是，虽然兵锋指处，形势紧张严峻，大战一触即发，但两国的君主却多少有点血缘关系，这给和平统一留下了余地：它们都是在量子场论的统一框架下完成的。1954年，杨振宁和米尔斯建立了规范场论，而吸取了对称性破缺的思想之后，这使得理论中的某些没有质量的粒子可以自发地获得质量。正因为如此，中间玻色子和光子才得以被格拉肖等人包含在同一个框架内。而反观量子色动力学，它本身就是模仿量子电动力学所建立的，连名字都模仿自后者！所不同的是光子不带电荷，但胶子却带着“颜色”荷，但如果充分地考虑自发对称破缺的规范场，将理论扩充为更大的单群，把胶子也拉进统一中来并非不可能。这样的理论被骄傲地称为“大统一理论”（Grand Unified Theory，GUT），它后来发展出了多个变种，但不管怎样，其目标是一致的，那就是统一弱相互作用力、强相互作用力和电磁力3种力，把它们合并在一起，包含到同一个理论中去。不同的大统一理论预言了一些不同的物理现象，比如质子可能会衰变，比如存在着磁单极子，或者奇异弦，但可惜的是，到目前为止这些现象都还没有得到确凿的证实。退一步来说，由于理论中一些关键的部分比如希格斯玻色子的假设到目前为止都尚未在实验中发现，甚至我们连粒子的标准模型也不能100％地肯定正确。但无论如何，大统一理论是非常有前途的理论，人们也有理由相信它终将达到它的目标。
可是，虽然号称“大统一”，这样的称号却依旧是名不副实的。就算大统一理论得到了证实，天下却仍未统一，四海仍未一靖。人们怎么可以遗漏了那块辽阔的沃土――引力呢？GUT即使登基，他的权力仍旧是不完整的，对于引力，他仍旧鞭长莫及。天无二日民无二君，雄心勃勃的物理学家们早就把眼光放到了引力身上，即使他们事实上连强作用力也仍未最终征服。正可谓尚未得陇，便已望蜀。
引力在宇宙中是一片独一无二的区域，它和其他3种力似乎有着本质的不同。电磁力有时候互相吸引，有时候互相排斥，但引力却总是吸引的！这使它可以在大尺度上累加起来。当我们考察原子的时候，引力可以忽略不计，但一旦我们的眼光放到恒星、星云、星系这样的尺度上，引力便取代别的力成了主导因素。想要把引力包含进统一的体系中来是格外困难的，如果说电磁力、强作用力和弱作用力还勉强算同文同种，引力则傲然不群，独来独往。何况，我们并没有资格在它面前咆哮说天兵已至，为何还不服王化云云，因为它的统治者有着同样高贵的血统和深厚的渊源：这里的国王是爱因斯坦伟大的广义相对论，其前身则是煌煌的牛顿力学！
物理学到了这个地步，只剩下了最后一个分歧，但也很可能是最难以调和和统一的分歧。量子场论虽然争取到了狭义相对论的合作，但它还是难以征服引力：广义相对论拒绝与它联手统治整个世界，它更乐于在引力这片保留地上独立地呼风唤雨。从深层次的角度上说，这里凸现了量子论和相对论的内在矛盾，这两个20世纪的伟大物理理论之间必定要经历一场艰难和痛苦的融合，才能孕育出最后那个众望所归的王者，完成“普天之下，莫非王土”的宏愿。
物理学家有一个梦想，一个深深植根于整个自然的梦想。他们梦想有一天，深壑弥合，高山夷平，荆棘变沃土，歧路变通衢。他们梦想造物主的光辉最终被揭示，而众生得以一起朝觐这一终极的奥秘。而要实现这个梦想，就需要把量子论和相对论真正地结合到一起，从而创造一个量子引力理论。它可以解释一切的力，进而阐释一切的物理现象。这样的理论是上帝造物的终极蓝图，它讲述了这个自然最深刻的秘密。只有这样的理论，才真正有资格称得上“大统一”，不过既然大统一的名字已经被GUT所占用了，人们给这种终极理论取了另外一个名字：万能理论（Theory of Everything，TOE）。
爱因斯坦在他的晚年就曾经试图去实现这个梦想，在普林斯顿的那些日子里，他的主要精力都放在如何去完成统一场论上（虽然他还并不清楚强力和弱力这两个王国的存在）。但是，爱因斯坦的战略思想却是从广义相对论出发去攻打电磁力，这样的进攻被证明是极为艰难而伤亡惨重的：不仅边界上崇山峻岭，有着无法克服的数学困难，而且对方居高临下，地形易守难攻，占尽了便宜。虽然爱因斯坦执着不懈地一再努力，但整整30年，直到他去世为止，仍然没能获得任何进展。今天看来，这个失败是不可避免的，广义相对论和量子论之间有一条深深的不可逾越的鸿沟，而爱因斯坦的旧式军队是绝无可能跨越这个障碍的。但在另一面，爱因斯坦所不喜欢的量子论迅猛地发展起来，正如我们描述的那样，它的力量很快就超出了人们所能想象的极限。这一次，以量子论为主导，统一是否能够被真正完成了呢？
历史上产生了不少量子引力理论，但我们只想极为简单地描述一个。它近来大红大紫，声名远扬，时髦无比，倘若谁不知道它简直就不好意思出来混。大家一定都明白我说的是超弦（Superstring）理论，许多读者迫使我相信，如果不在最后提一下它，那么我们的史话简直就是一肚子不合时宜。
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饭后闲话：霍金打赌
1999年，霍金在一次演讲中说，他愿意以1赔1，赌一个万能理论会在20年内出现。现在是不是真的有人和他打这个赌我暂时不得而知，不过霍金好打赌是出了名的，咱们今天就来闲话几句打赌的话题。
我们所知的霍金打的最早的一个赌或许是他和两个幼年时的伙伴所打的：他们赌今后他们之间是不是会有人出人头地。霍金出名后，还常常和当初的伙伴开玩笑说，因为他打赢了，所以对方欠他一块糖。
霍金33岁时，第一次就科学问题打赌，之后便一发不可收拾。今天我们所熟知的最有名的几个科学赌局，几乎都同他有关。或者也是因为霍金太出名，太容易被媒体炒作渲染的缘故吧。
1974年，黑洞的热潮在物理学界内方兴未艾。人们已经不太怀疑黑洞是一个物理真实，但在天文观测上仍没有找到一个确实的实体。不过已经有几个天体非常可疑，其中一个叫做天鹅座X-1，如果你小时候阅读过80年代的一些科普书籍，你会对这个名字耳熟能详。霍金对这个天体的身份表示怀疑，他和加州理工的物理学家索恩（Kip Thorne）立下字据，以1年的《阁楼》（Penthouse）杂志赌索恩4年的《私家侦探》（Private Eye）。大家也许会对霍金这样的大科学家竟然下这样的赌注而感到惊奇（Penthouse大家想必都知道，是和Playboy齐名的男性杂志，不过最近倒闭了），呵呵，不过饮食男女人之大欲，反正他就是这样赌的。今天大家都已经知道，宇宙中的黑洞多如牛毛，天鹅X-1的身份更是不用怀疑。1990年霍金到南加州大学演讲，当时索恩人在莫斯科，于是霍金大张旗鼓地闯入索恩的办公室，把当年的赌据翻出来印上拇指印表示认输。
霍金后来真的给索恩订了一年的《阁楼》，索恩家里的女性成员对此是有意见的。但那倒也不是对于《阁楼》有什么反感，在美国这种开放社会这不算什么。反对的原因来自女权主义：她们坚持索恩应该赌一份适合both男女阅读的杂志。当年索恩还曾赢了钱德拉塞卡的《花花公子》，出于同样的理由换成了《听众》。
霍金输了这个场子很是不甘，1年后便又找上索恩，同时还有索恩的同事，加州理工的另一位物理学家普雷斯基（John Preskill），赌宇宙中不可能存在裸奇点，负者为对方提供能够包裹“裸体”的衣服。这次霍金不到4个月就发现自己还是要输：黑洞在经过霍金蒸发后的确可能保留一个裸奇点！但霍金在文字上耍赖，声称由于量子过程而产生的裸奇点并不是赌约上描述的那个由于广义相对论而形成的裸奇点，而且那个证明也是不严格的，所以不算。
逃得了初一逃不过十五，1997年德州大学的科学家用超级计算机证明了，当黑洞坍缩时，在非常特别的条件下裸奇点在理论上是可以存在的！霍金终于认输，给他的对手各买了一件T恤衫。但他还是不服气的，他另立赌约，赌虽然在非常特别的条件下存在裸奇点，但在一般情况下它是被禁止的！而且霍金在T恤上写的字更是不依不饶：大自然讨厌裸露！
霍金在索恩那里吃了几次亏了，这次不知是否能翻盘。当然索恩也不是常赌不败的，他曾经和苏联人泽尔多维奇（Zel’dovich）在黑洞辐射的问题上打赌，结果输了一瓶上好的名牌威士忌。有时候霍金和索恩还会联手，比如在黑洞蒸发后是否吐出当初吃掉的信息这一问题上。霍金和索恩赌它不会，而普雷斯基赌它会，赌注是“信息”本身――胜利者将得到一本百科全书！这个问题迄无定论，不过从最近发展的势头来看，霍金又有输的危险。今年（2004年）初，俄亥俄州立大学的科学家用弦论更为明确地证明了，黑洞很可能将吐出信息！
2000年，霍金又和密歇根大学的凯恩（Gordon Kane）赌100美元，说在芝加哥附近的费米实验室里不可能发现所谓的“希格斯玻色子”（这是英国物理学家希格斯于1964年预言的一种有重要理论意义的粒子，但至今尚未证实）。后来他又和欧洲的一些粒子物理学家赌，说日内瓦的欧洲粒子物理实验室里也不可能发现希格斯子。这次霍金算是赢了，至今仍然没有找到希格斯子的踪迹。不过霍金对于这个假设的嘲笑态度使得许多粒子物理学家十分恼火，甚至上升为宇宙物理学家和粒子物理学家之间的一种矛盾。希格斯本人于2002年在报上发表了言词尖刻的评论，说霍金因为名气大，所以人们总是不加判断地相信他说的东西。这也引起了一场不大不小的风波。
在科学问题上打赌的风气由来已久，而根据2002年Nature杂志上的一篇文章（Nature 420, p354），目前在科学的各个领域内各种各样的赌局也是五花八门。这也算是科学另一面的趣味和魅力吧？不知将来是否会有人以此为题材，写出又一篇类似《80天环游地球》的精彩小说呢？
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