量子物理学原理（量子一元论可以拯救物理学的灵魂）

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“宇宙最让人难以理解的一点就是它是能让人理解的，”爱因斯坦曾这么说过。然而最近人们无法在宇宙是否可理解，甚至是否独一无二这样的问题上达成共识。基础物理面临着危机，这场危机与两个常见的概念，“多重宇宙”和“丑陋宇宙”有关。

多重宇宙支持者认为可能有其他宇宙的存在，其中有些宇宙的物理法则和空间维度系数和这个宇宙截然不同；而你、我和其他事物可能存在着无数份拷贝。“多重宇宙也许是物理中最危险的想法了。”南非宇宙学家George Ellis表示道。

从科学萌芽的初期起，找到一个不太可能发生的巧合会引发人们试图解释的冲动，以及寻找其背后隐藏原因的动力。一个现代的例子：物理的法则允许能够发现这些法则的智慧存在，好像是被精心调整过一般。这样的巧合需要解释。

随着多重宇宙概念的传播，情况发生了改变：尽管这巧合看起来不太可能，在多重宇宙中的无数个宇宙中，它总会存在于某处。如果这巧合使复杂结构、生命或意识更易出现的话，我们一开始就不该对出现在允许我们存在的宇宙里感到惊奇。但这“人类理由”也意味着我们不能预测超出这范围的事物了。CERN的物理学家并没有明确寻找新粒子的导向原则。而宇宙这看似意外的特性之后根本就没有基础法则。

另一截然不同但同样危险的挑战就是“丑陋宇宙”：据理论物理学家Sabine Hossenfelder说，现代物理被其本身对“美”的偏见误导了，只派生出数学优雅、投机的幻想，缺乏实验的基础。她认为物理已经迷失在“数学”里了。但其实被物理学家称为“美”的是结构和对称性。如果我们不能再依靠这样的概念，真正理解一个现象和勉强用理论解释实验数据的区别就变得模糊了。

两个挑战都有一定的道理。“为什么自然法则会在乎我们认为什么是美的呢？”Hossenfelder理直气壮地问，而答案是：它们不会。当然，如果从传统的角度来看，自然可以是复杂、杂乱且难以理解的。但自然并不是这样。自然是量子力学的。尽管经典物理认为我们日常生活中的物体都是分开的、独立的事物，量子力学却不这么认为。比如说，你汽车的情况与你妻子裙子的颜色应当无关。但在量子力学中，有因果关系的事物一旦接触，就一直相关，这被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”。这样的关联构成结构，而结构即美。

与之形成对比的是，多重宇宙似乎很难让人否认，而量子力学又似乎尤其支持它。往带有双缝的屏幕一个一个地发射电子会在屏幕后的探测器生成干涉图像。在每个例子中，电子看起来每次都通过了两条缝。

量子物理是核爆炸、智能手机和粒子对撞后的科学——而它以奇怪的现象臭名昭著，比如薛定谔的猫，活在一个既死又活的地狱中。在量子力学中，不同的现实（比如“粒子在这里”和“粒子在那里”，或“猫活着”和“猫死了”）可以像湖面上的水波一样叠加在一起。粒子可以处于一个“一半在这儿，一半在那儿”的状态。这叫做“叠加态原理”，而对粒子或波而言，它就会产生干涉条纹。

量子力学一开始是被用来描述微观世界的，但从近几年看来，如果它们足够孤立于周围环境的话，也可以用来描述越来越大的物体。但不知为何，我们的日常生活却似乎与量子世界的奇怪现象割裂开来：没有人曾看见过一只既死又活的猫，且无论你什么时候测量一个粒子的位置，得到的结果总是确定的。

一种直接的解释就是假设所有的可能选项都被实现了，尽管有所不同，平行现实或“Everett分支”——以Hugh Everett命名，他是第一个支持量子力学中被称为“多世界诠释”观点的人。Everett的“多世界”其实是多重宇宙的一个例子——四个中的一个，如果你关注Max Tegmark从2003年五月起的《科学美国人》专栏。另外两个并不那么有趣，因为其中一个并不是真正的多重宇宙，只是我们宇宙中不太一样的区域，而另一个是基于一个非常投机的想法，那就是物质其实就是数学。而剩下的多重宇宙就是“弦理论领域”，我们等一下会再回到这个话题。

如果通过量子力学来证明物理之美，我们似乎就牺牲了宇宙的独一无二。但这个结论只是肤浅想法的结果。在这里被忽视了的是Everett多重宇宙并不是基础的。它只是显而易见或“能解燃眉之急的”，正如南加州大学的哲学家David Wallance所坚持的那样。

为了理解这点，我们需要了解量子测量和“鬼魅般的超距作用”背后的原理。这两种现象背后的原理叫做“纠缠态”，在1935年被爱因斯坦，Boris Podolsky和Nathaneil Rosen指出：在量子力学中，由两个旋转总和为零的旋子组成的纠缠系统可以由两个方向相反的叠加旋子构成，而它们各自的自旋方向都不明确。纠缠态是自然把局部集成为整体的方法；成分的个体特征由于整体系统的强烈相关性而消失。

无论量子系统什么时候在其所处环境下被测量或配对，纠缠态都很重要：量子系统，观察者和剩下的宇宙都彼此交织在一起。从当地观察者的角度来看，信息被分散到未知的环境中，这个过程叫做“退相干”——首次由H. Dieter Zeh在1970年发现。“退相干”是经典的精髓：它描述了当一个量子系统与其周围环境作用时所失去的量子特性。如果在量子物理的平行现实之间拉开一道缝，退相干就会起作用。从观察者的角度来看，宇宙和她自己似乎分裂成了不同的Everett分支。整个世界在她看来还是正常的，而从整体角度来看，世界还是量子力学的。事实上，从这个角度上来看整个宇宙就是一个量子物体。

这就是罗格斯大学哲学家Jonathan Schaffer拥护的“量子一元论”起作用的地方了。Schaffer思考了宇宙是由什么构成的问题。根据量子一元论，现实的基层不是由粒子或弦构成的，而是由宇宙自身组成的——不是事物相加的总和，而是单一的、纠缠的量子态。

早先也有类似的想法出现，比如说物理学家兼哲学家Carl Friedrich von Weizsäcker曾说过：认真对待量子力学将会预测出一个多重宇宙下独一无二的、单一的量子现实。宇宙微波背景辐射的均匀性和细小的温度波动表示我们对宇宙的观察可以追溯到一个单一的量子态，通常伴有助长原始膨胀的量子场来支持这个观点。

另外，这个结论还能拓展到其他的多重宇宙概念，比如说“弦理论领域”中不同区域的不同物理法则，或其他在永恒宇宙膨胀中出现的“子宇宙”。因为纠缠态是宇宙性的，它不会在我们能探索到的宇宙边界停止。无论什么样的多重宇宙，当你用量子一元论的时候，它们都是整体的一部分:多重宇宙中的许多宇宙下总有一层更基础的现实，而这层现实是独一无二的。

量子一元论和Everett多世界理论都是认真思考了量子力学的结果。区别这些观点的是只是角度：从当地观察者眼中看到的“许多世界”从整体（比如说一个能从整个宇宙外看世界的人）上来看确实是一个单一、独特的宇宙。

换句话说：多世界是一个只有有限宇宙信息的观察者眼中的量子一元论。事实上，Everett一开始是想要用“宇宙波方程”建立整个宇宙的量子描述。就像是你望出窗格时一样：自然看起来被分成了不同的小块，但这只是你视角的问题。

一元论和多世界理论都可以被避免，但那就必须改变量子力学的形式——特别是和爱因斯坦狭义相对论冲突的地方——或者我们不把量子力学当作自然的理论，而是知识的理论来看待：一个人类概念，而不是科学概念。

正如之前所说，量子一元论应该要被当作现代物理的关键概念：它解释了独立自然领域之间被理解为结构、相关性和对称性的“美”不是“拙劣审美理想”，而是自然从一个单一量子态衰变的结果。另外，量子一元论还消除了多重宇宙的缺陷，因为它认为相关性不止在一个特定的子宇宙中形成，还在多重宇宙中任何一个单一分支中形成——比如说Einstein-Podolsky-Rosen态中方向相反的纠缠旋子。

最后，量子一元论缓和了实验基础物理依赖越来越大对撞机研究越来越小的自然成分的危机，只是因为最小的成分并不是现实的基础层。研究量子力学的基础、量子场理论的新领域和宇宙学最大的结构可能同样有用。

这不意味着每个观察到的巧合点都是物理的基础，或每一种关于美的概念都应在自然中实现——但它告诉我们不应该停止寻找。正因如此，量子一元论有拯救科学灵魂的潜力：它是一个独特、可理解且基础的宇宙存在的定论。