量子力学是核爆炸、智能手机和粒子对撞背后的科学,且不止于此。它勾勒出的隐态现实,超越了日常生活中循规蹈矩的体验,蕴含着可以改变我们认知真实的力量,当然前提是把它当作关于大自然的理论来认真对待。对此存在争论,我们的旅程就因此而起:我们怎么能知道一些东西隐藏着,而且我们无法直接体验到?对这个问题的各种疑问,就引发了一场争论,最终把“一切即一”的话题退还给了科学,它最为关注的就是宇宙中这些最难解决的细枝末节,它们都是些什么,以及有哪些表现。
惠勒的字母“U”
“这家伙听起来疯了。你们这代人不知道的是,他一直疯疯癫癫的”,理查德·费曼(Richard Feynman)告诉基普·索恩(Kip Thorne),这是1971年两人在加州理工学院附近一家亚美尼亚餐厅共进午餐时的事。他一边指着约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler),他们两人共同的博士导师,现在正坐在他们身边,一边接着说道:“但当我还是他的学生时,我就发现,如果你把他的那些疯狂想法中的一个当真,然后剥洋葱皮似的逐一掀开一层又一层的疯话,在那疯狂想法的中心,你通常会发现一个强有力的真相内核。”
约翰·阿奇博尔德·惠勒位列20世纪最具影响力的物理学家之一。从他的行为举止、生活方式、政治观点以及外貌来看,他是个比较保守的人。但是从他对物理学的那些想法来看,他展现了一定程度上狂野的一面。这一性格特征包括他终身痴迷于各种爆炸现象。小的时候,他在父母的菜园子里玩雷管,还差点废了他一根手指头。在与现代物理学“大老爷子”
尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)一起工作的时候,惠勒证明了铀-235和钚-239的原子核有可能用于核裂变,而且还研究出了怎样可以做到这一步。那篇论文于1939年希特勒入侵波兰那天发表,六年之后,它们就变成了同位素,用于引爆部署到广岛和长崎的核炸弹,终结了第二次世界大战。
1949年当苏联测试自己的第一颗核炸弹的时候,惠勒和他的学生们加入了爱德华·泰勒(Edward Teller)和斯坦·乌拉姆(Stan Ulam)一行,参与了研发与制造氢弹,利用核聚变去引爆威力更加巨大的爆炸。1944年10月,惠勒所钟爱的兄弟乔在意大利的波河谷随盟军与德军交战时阵亡于一次行动。过了好几个星期,当时正在研发核炸弹的惠勒才收到他的明信片,上面只写了两个字:“快点!”从那之后,就像他在自己回忆录中解释的那样,惠勒就觉得自己有“义务把自己的技能应用到为自己的国家服务中去”
。然而尽管他渴望“让美国保持强大”
,内心却满怀着一种更为深沉的质疑精神。“从我最早的学生时代起,我最为好奇的就是有关本质性的各种问题。是哪些基本法则在约束着物质世界?从最深的层面来讲,世界是怎样组合到一起的?……都有哪些整合缘由?简而言之,是什么东西让我们生活其中的这个世界像钟摆一样运行起来的?”
惠勒热衷于提出深刻的问题:“为什么会有量子?”“为什么会有宇宙?”“为什么会有一切的存在?”
“为什么会有时间?”
在他教过的50来名博士生里,有些人是物理学超级巨星,其中有理查德·费曼、基普·索恩和休·埃弗莱特。惠勒与费曼所做的那些讨论,为量子版的电动力学铺平了道路——成了现代粒子物理学任何一个子领域的模仿样板,并使费曼获得了1965年的诺贝尔物理学奖。惠勒与索恩以及其他几位学生一起,把爱因斯坦的广义相对论重新变为体面的科学课题,近来发现的引力波更是把它推向了巅峰,为此索恩还被授予了2017年诺贝尔物理学奖。惠勒还成为了蓬勃发展的量子信息领域的“师祖”
。就是这一理论在推动着谷歌、IBM、微软、英特尔和NASA近期付出各项努力去实现计算革命。因为他对量子力学的基础(这是主宰微观世界的古怪的物理法则)有经久不衰的兴趣,埃弗莱特还为其做出了同等怪异且引人争议的诠释,意思是说存在着许多平行现实,或者叫“世界”。最后,作为收官成就,惠勒的名字以惠勒-德威特方程(Wheeler-DeWitt equation)这一命名受到膜拜,这是个量子方程,用于计算宇宙中的波函数,同时也是斯蒂芬·霍金一大部分宇宙学研究工作的起始点。
除了这些成就,惠勒还出名地爱给新出现的概念编派生动形象的口头语和名号。对于燃烧殆尽的那些不存在时间概念的恒星尸体,他使“黑洞”这个名字家喻户晓;对于宇宙中相距遥远的区域之间那些假定存在的,如同把手形状的便捷通道,他打造出“虫洞”这个名字;有些领域在微小距离上有极高能量,连空间和时间本身都展现出量子特性,他为这些领域派发了“普朗克尺度”这一用语;据猜测,这些领域中的空间和时间会呈现出像泡泡一样的质地,他就给起了“量子泡沫”这个名字。惠勒不仅爱说口头语,还爱用简明扼要的草图和示意图来讲解复杂的概念
。惠勒最神妙费解的一个传世之作是一幅小草图,把宇宙历史描绘得恰到好处:
约翰·阿奇博尔德·惠勒和他的字母“U”。
“这是字母‘U’。起初,当宇宙还小的时候,U从细细的这边开始。随着我们走到字母的另一边,轮廓变得越来越粗,到了某个特定的点上,一个大大的圈就把字母结束掉。这里还坐着一只眼睛回望着宇宙最初始的那些日子”,惠勒讲解着他这张图,它示意了宇宙的演进,截止于有自我意识的观察者出现。事实上,就像惠勒强调的那样,“我们自己今天可以接收到宇宙早期的辐射,而且也确实接收到了”。然后他就抛出了一个大胆的猜测:“如果说主动观察这件事,能够与我们心目中认为的现实世界的起源有什么关联……那么我们就可以说,这位被宇宙创造出来的观察者以他的观察行为在创造宇宙本身的过程中扮演了一个角色。”
20世纪最杰出的物理学家之一声称,我们自己要对宇宙的存在负责,这是认真的吗?是我们自己,仅通过对世界进行观察,就创造了空间、时间和物质?而且这么做所产生的影响还沿时间倒流回万物起始之时,并把宇宙从无变有?
我们怎样才能按照费曼所教的步骤,剥开这层层疯话,从“惠勒的U”里面找出意义来?假装我们会抛弃掉那个令人不安的可能性,也就是每次我们从窗口看出去的时候,就是在不知不觉地回溯到时间开始的地方去启动宇宙大爆炸?毕竟,如果不能不断地进行时间旅行,我们显然无法真正改变早期宇宙的走向,更不要说实际上把它创造出来了。我们唯一有可能“通过我们的观察行为”,“在创造宇宙本身的过程中扮演一个角色”,更可以大胆地重新解读一下,理解为:我们体验到的宇宙及其历史,只不过是以某个特定视角,去望向一个更具本质性的隐态现实时所产生的感受而已。
为了把这点说清楚,我们可以参照一个圆筒形物体,例如一罐可乐。同一个可乐罐可以看起来是个圆圈,也可以看起来是个长方形,这取决于我们是从上方看它还是从旁边看它。从这一具体的意义上,我们可以被看作是“创造”了不是一个圆圈就是一个长方形,而没有真正对罐子本身做任何事情,只不过是采取了某一特定视角而已。
取决于观察角度,可乐罐可以看起来像个圆圈或长方形。
把宇宙历史与一部好莱坞老电影做对比,我们可以得到更好的理解。当我们看一部像《育婴奇谭》那样的电影时,我们体验到搞笑的剧情。这是一部1938年的美国乖僻喜剧,由凯瑟琳·赫本和加里·格兰特主演。一名古生物学家想要组装一架巨型恐龙的骨骼标本,但这个项目由于遇到美丽的疯丫头苏珊被打断。苏珊有一只驯化了的豹子,然后苏珊姨母养的狗把最后那块找不到的骨头偷走了,还把它藏在了某个地方。但是我们在电影院里体验到的这个故事可没有真的存放在那卷胶卷上。而是,传统的电影放映机是放映胶卷上的信息,一个图像接一个图像,非常快地一闪而过,使观影者得到的印象是故事主线在眼前展开。而且,这个故事也不是真的装在胶卷上,它是由观影者朝放映出来的影片看过去而创造出来的。故事通过我们的观影行为创造出来,而原始的信息源原封不动,依然装在放映机上。同样的道理,宇宙历史可以被理解为我们所体验到的东西,是我们朝一个本质性的“量子现实”
望过去时的视角所创造出来的。
什么是现实世界?
是装在放映机上的电影胶卷,
还是银幕上展开的豹子的故事?
用好莱坞电影情节的例子来解释宇宙历史:宇宙的演化过程仅仅是本质性量子
现实的一个投影吗?
(鸣谢:屏幕上显示的是哈勃超级深空视场,原图像源自NASA、ESA和STScl及HUDF团队)
用好莱坞电影情节的例子来解释宇宙历史,惊人准确地描述出了量子力学的工作原理,把量子力学迫使我们问出的最重要的那个问题“什么是现实世界?”给凸显了出来。它是放映机里的电灯泡和储存在胶卷上的那一堆画面,还是从银幕上体验到的那个故事?
即便在当下,物理学家和哲学家仍然有两个阵营,他们激烈争论着的正是这个问题。尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡(Werner Heisenberg)和压倒性多数的物理学家拥护的是正统的量子力学的“哥本哈根诠释”,它坚称“电影情节”构成了现实。好几十年来,只有少数几个受到排挤的人,包括(至少有过一阵的)埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)、惠勒的学生休·埃弗莱特和德国物理学家H. 迪特尔·蔡赫(H. Dieter Zeh)构成了“放映机阵营”。然而这一反叛的观点正变得越来越受追捧。到了1920年代,这场争论到了一个非了断不可的关头,物理学家们针对现实世界的真实面目到底能有多奇怪这个问题一决胜负。
浓雾中的登山之旅
量子物理学的产生,源于一场古老争论:光和物质是由粒子还是波构成的?在20世纪的前四分之一,若干次有开创性意义的实验证明这两种说法都对。一方面,把光照射到物体表面而产生出来的电子,以及加热过的物体释放出来的电磁辐射的光谱,它们所表现出的那些特性——只有当此前一度被认为是一种波的光,是由一份份不能再分割下去的能量,或由“量子”构成的时候——才能解释得通。另一方面,那时已经证明了此前被认为是粒子的电子,它也具有光的特性。与粒子不同的是,波没有能准确定义的位置,它是延展的,或叫“非定域的”。比如说,如果要用波去描述一个电子,那么这个电子就存在于各个不同的地点,直到对它进行测量。而在那一时刻,该电子似乎就坍塌进一个确定的位置,而这个位置此前是无法被精确预测到的。更糟的是,在粒子和波哪一个才更具本质性这一纠缠不清的问题上没有共识,所以电子这一令人迷惘的表现还只是其中一个方面。粒子只不过是波的一个次级特性,抑或波只不过是粒子在特定环境下才会有的表现?还是两者都只是不完整地展现了一个更深层面上的现实真相?
谁是这些讨论中的主要角色,他们所提出的这些问题又为什么让物理学家们一直忙碌到今天?首先,是下述四位人物在1925到1935这十年间的天才能力和工作,以及他们各自的弱点、互动和人际关系铸就了我们现在对量子力学的理解。
1879年出生,1925年46岁的阿尔伯特·爱因斯坦是这四人中最著名的一位
。鉴于他特立独行的工作风格,爱因斯坦就是个独行天才的经典范例。在瑞士专利局做职员时,他是与同事分开单独工作的,发表了好几部有开创性意义的著作,其中不仅包括他的狭义相对论,还包括他的假说,认为光可能是由“量子”构成的——这至少可以被看作是一种带有启发性的猜想。尽管这一想法使爱因斯坦在1921年获得了诺贝尔物理学奖,但是他对光的这种二元性质从来不那么处之泰然。有一段时间,爱因斯坦几乎完全放弃了对量子物理学的研究,转而集中精力把他的相对论加以通用化,好把引力也包含进去。1914年,爱因斯坦没能顶住诱惑离开了他钟爱的瑞士,回到了他的出生地德国,在那里人们向他开出尊享三重职位的条件,成为新成立的凯瑟-威尔海姆理论物理研究所主任、柏林大学科研教授以及普鲁士科学院院士。即使这样,在大多数时间里爱因斯坦仍然偏好独自一人工作。
尼尔斯·玻尔的科研方式则差不多相反。这位丹麦人1885年生于哥本哈根,时年39岁,是个团队玩家,在他哥哥哈罗德的球队里是位顶级守门员,哈罗德在1908年第一届奥林匹克足球锦标赛为丹麦国家队赢得了银牌。尼尔斯·玻尔非常喜欢与一大群年轻科学家互动,无论是雇用来工作的还是来访问他在哥本哈根的“物理理论研究所”的,那里不久就发展成了一个对于有抱负的量子物理学家们来说像麦加一样的圣地。把来自全世界的最有才华的青年才俊聚拢到自己身边后,他变成了一位精神导师和父亲般的人物,这不仅对后来继承了玻尔风格的约翰·惠勒是如此,对于越来越多的一批顶级科学家来说也是如此,他们后来会遍及全球的教授及研究员职位。当爱因斯坦集中精力搞他的广义相对论时,玻尔已经研发出了一个虽不完善但却有用的原子模型,它看起来像个微缩的行星系统,只是有个显著的例外:在玻尔的原子中只有有限数量的可允许轨道,这后来被法国物理学家路易·德布罗意(Louis de Broglie)解释为“驻波”。玻尔的模型假定一些电子从一个被允许的轨道跳向另一个,而根本不在这当中的空间驻足,这个过程物理学家们称为“量子跃迁”,这一模型首次使人得以计算氢原子吸收和释放光时的特有频率。它还让玻尔拿到了1922年的诺贝尔物理学奖。
埃尔温·薛定谔,1887年生于维也纳,时年37岁,是个大器晚成者,还是个与众不同的享乐主义者,其广泛的兴趣爱好囊括了葡萄酒、戏剧、诗歌及艺术,乃至希腊及亚洲哲学。薛定谔在第一次世界大战时被征召为奥地利陆军的一名炮兵军官,他的职业生涯因此中断。由于对单调的日常工作感到厌烦,同时也因他的长官不称职而沮丧,他一头扎进物理学书籍中以免自己发疯。他跟他的妻子安妮是1920年结婚的,在生活中他们保持一种开放式关系。尽管如此,对于安妮来说,他仍是一匹“赛场宝驹”,可不能拿他去换一只“金丝雀”
。战后,薛定谔在耶拿、斯图加特和伯列斯劳都有过短暂就业,直到1921年才最终在苏黎世拿到了原先由爱因斯坦担任的教授职位。然而他病倒了:由于被诊断为疑似肺结核,薛定谔不得不接受一段时间的静养疗法,在瑞士阿尔卑斯山的疗养胜地阿罗萨待了9个月。这么一来,1925年这位奥地利人饱受自卑感的折磨,不知道自己还有没有可能在物理学中留下不可磨灭的印记。
沃纳·海森堡可以说是玻尔门下最有创新能力的一位,在这四个人当中他要年轻得多。海森堡生于1901年,到了1925年,23岁的他已经为自己赢得了物理学神童的名声。从童年时代早期他就得到求解数学难题和游戏的训练,而且始终都有极高的抱负。业余时间,他喜欢外出野营,以及与他在“探路者小组”的朋友们一起在巴伐利亚群山中徒步旅行。“探路者”是德国版童子军。就这样,当在哥廷根大学当博士后的海森堡,在1925年春天为原子核周围难以解开的电子轨迹绞尽脑汁时,他把这个状态与去年秋天他与朋友们在阿尔卑斯山中登高的经历进行了对比。那次他们在浓雾中迷失了方向:“过了一阵,我们进入了一个完全令人抓狂的岩石与松树的迷宫……我们再怎么费尽心力去想象也找不到路径。”
几个月之后,1925年5月,备受花粉热折磨的海森堡请了病假,旅行到黑尔戈兰小岛。那地方是座红色岩石岛,灌木和草甸皆无,位于德国海岸以外约莫40海里的北海上。在黑尔戈兰岛上,由于受到了实证主义哲学的启发,他试了点新花样,想梳理出原子里面发生了什么。
实证主义的信条主张,科学理论应无一例外地以实验中可以观察到的现象为依据。它督促科学家们坚守他们眼前所见、可以测量和操控的东西,而不是给明摆着的现象之下无法观察到的内在真相搞出理论。换句话说,他们应该集中精力于屏幕上显示的现实,而避免围绕着创造出这个现实的放映机和胶卷做遐想。按这种思路,海森堡整个地放弃了那难缠的电子轨迹。经这种方式一观察,他所面临的这个问题依稀有了当他还是小孩子的时候他的父亲让他求解的那些数学智力题的模样。孩提时代的海森堡在这些游戏中表现出类拔萃,可以轻而易举地胜过他的兄长。果不其然,海森堡这次就设法找到了一个解决方案,以前没有任何其他人能够做到。一个灵光乍现的举动,海森堡开发出一种抽象的形式体系,使他得以经过一夜奋战对一个简化版原子——一个振荡的弹簧的能级进行计算。爱因斯坦后来评价说这是个“实打实的魔法计算”
。只消几个月的时间,到1926年初,海森堡的朋友沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)就能够采用海森堡的形式体系对氢原子的能级进行计算了。海森堡和泡利兴高采烈:海森堡形容他的喜悦是“透过原子现象的表面,我正看着一个异样美丽的内部空间……大自然就这样慷慨地摊开在我的面前”
,而泡利则开心地说他找到了“新的希望,新的生活享受”
。
对于矩阵和旋转来说,次序不同结果就不同。
当海森堡回到哥廷根,他的导师马克斯·玻恩(Max Born)很快就意识到海森堡的古怪代数有些眼熟:它满足了矩阵的乘法规则,也就是可以用来,比方说,对旋转进行描述的那种数学。不同的是,数字乘法可以用任何顺序做,结果仍然一样(比如2×3 = 3×2 = 6);但在矩阵乘法中顺序就有讲究了。举例来说,如果你先把眼前这本书朝左旋转,然后再朝你自己旋转,与把这几个动作按相反的顺序做一遍相比较的话,其结果是不一样的。在海森堡设计的方案中,矩阵乘法描述的是量子特性以什么样的概率展开,以及怎样才能观察到它们。但是在1925年,对于多数物理学家来说,矩阵还是比较陌生的事物。“我甚至不知道矩阵是什么东西”
,这一阶段的海森堡不得不承认。为了把海森堡的方案发展成顺畅一致的理论框架,玻恩于是叫他22岁的学生帕斯库尔·约尔当(Pascual Jordon)参加这个项目。这位学生,恰如玻恩一样,有牢固的数学背景。在接下来的几个月里。他们与海森堡一起打造出了第一个量子力学公式,现在称为“矩阵力学”。
神童对宝驹,粒子对波形
毫无疑问,海森堡的光辉发现标志着物理学中最伟大的突破时刻之一。但它也树立起了这样一个观点:靠直觉来理解原子内部在发生什么是行不通的。当埃尔温·薛定谔于1925年12月发现了一个把电子描述为波的方程时,这一点就变得显而易见。
顺便提一下当时的情况是,薛定谔的婚姻再一次出现了麻烦。他的妻子安妮与他最要好的朋友,数学家赫尔曼·外尔(Hermann Weyl)有了恋情,而外尔的妻子则爱上了物理学家保罗·谢尔(Paul Scherrer)。哪怕对于“赛场宝驹”薛定谔,这也是太过分了,他决定带上一位旧情人,离开苏黎世,去阿罗萨过圣诞节。离他开始行程还只剩一两个星期的时候,薛定谔注意到了德布罗意的假说,电子可以被理解为波。那么这幅画面所缺的就是用方程来描述这样一种波的能量和时间演进了。外尔以为,薛定谔在阿罗萨的两个星期中肯定经历了“一场迟来的艳情大爆发”
。事实上,当薛定谔1926年1月初返回苏黎世的时候,他随身带着的是用于求解量子波的方程的第一稿。他深信,“只要我能……解开它,它一定会非常美丽”
。在外尔的帮助下,到了1月底的时候薛定谔不仅解开了他的方程,还确定了氢原子光谱,并把他的研究结果付诸出版。
这下市场上就有了两个互相竞争的理论。一个对大自然的描述是,粒子以量子跃迁的方式从一个地方移动至另一个地方,受到概率法则的约束;而另一个对它的描述则是通过“具有确定性”的连续波形。一旦在时间中的某个瞬间知道了薛定谔波形的状态,就可以轻而易举地确定它未来的演进。与海森堡的矩阵力学不同的是,薛定谔的波形力学既优雅又富有直觉,要掌握它也不需要使用物理学家们不熟悉的数学工具。薛定谔总结道,粒子,很快就会显出来它什么也不是,只不过是一束互相重叠的波产生了一堆能量,与大海中偶尔出现的畸形波相似。
海森堡不这么认为。“我越对薛定谔理论的物理学部分进行思考,我越觉得它令人反胃,”他这样写信给泡利,“薛定谔所写的那些关于他的理论可以被视觉化的内容,可能不大正确,换句话说它就是排泄物而已。”
甚至在薛定谔已经证明了他的方法再现出了与海森堡同样的结果时,这场争论仍怒不可遏地继续着。事实上,后来证明薛定谔的波理论确有问题。如果把它们解释为正常空间中的一些振荡场,则它们消散的速度太快了,没办法用来说明实验中观察到的像粒子一样的表现。马克斯·玻恩证明,波的振幅可以被解释,这样就可以为在相应位置找到一个粒子提供一个概率
;后来又把薛定谔的量子波考虑为并非一个真实的物体,而只不过是一个工具,玻恩形容为“是纯粹数学上的东西”
。通过规定量子物理学的法则只产生概率,而非具体的因果关系,玻恩牺牲掉了“因果”和“确定性”这两个原则,这是从伊萨克·牛顿以来旧的、“经典”物理学核心里面的东西:在物理学世界里没有任何事物会无缘无故发生;以及知道了一个物理系统在某一时刻的确切状态之后,就有可能确定它以后的行为表现。玻尔和海森堡同意玻恩的看法。他们认可薛定谔的形式理论使许多计算得以简化,但都同样否定了薛定谔的波理论与原子内部的真实情况能有任何关联。海森堡后来这样回忆道,“虽然玻尔正常情况下在与人打交道的时候最为周到且友善,但他现在令我吃惊,差不多就像个决绝的狂热分子,一个不打算做出最微小让步或行一点点方便的人”
。
在这个时候,阿尔伯特·爱因斯坦越来越坐不住了。在接下来的1926年春天,海森堡出差到柏林举办讲座。在他作完报告之后,爱因斯坦邀请这个年轻人去他的公寓。他们刚一到那里,爱因斯坦就开始向海森堡的思路发起挑战。海森堡的想法是把世界分成两个单独的领域:我们日常生活的经典世界(在这里所有东西都有确定的位置和特性,物理法则的因果关系决定着它们的未来走向),以及一个量子领域,它是不能用日常语言描述的。更糟的是,爱因斯坦批评道,由于海森堡的形式体系完全放弃了原子内部的电子轨道这个概念,它就解释不了量子领域的真正性质,它只是把观察者由测量结果得到的认知总结了一下。“你是在非常薄的冰面上移动呢”
,他警告海森堡。爱因斯坦有这种感觉,量子力学一定还不完整,表象下面应该有个隐态的内在真相。海森堡失落地离开了那次会面,因为没能说服他如此敬仰的这位人物。不管怎样,爱因斯坦的一些论点还是击中了要害。
与爱因斯坦会晤之后,海森堡紧接着就面临一个艰难的选择。在盘算好去哥本哈根接受尼尔斯·玻尔门下的另一个博士后职位之后,又有人向这位才华横溢的年轻人开出去莱比锡的价码,是个教授职位。不到三年之前,海森堡差点就没通过他的博士学位考试,因为他对显微镜、望远镜的分辨率或电池的功能这类简单问题都没能回答上来。威廉·维恩(Wilheim Wien),1911年诺贝尔物理学奖得主和实验物理学的领头人,甚至以前就对这位年轻理论家的实验室实操课成绩之差万般无奈,现在在海森堡的导师阿诺德·索末菲(Arnold Sommerfeld)的劝说下,只能勉强同意让他通过,给他判了中等偏下的成绩。海森堡吓坏了,毫不夸张地说,他逃离了慕尼黑,连夜乘火车跑到哥廷根,单为第二天早上能出现在马克斯·玻恩面前,并且脸上带着惭愧的表情,吃不准人家是不是还欢迎他来到这个博士后的位置。这段时期的战后德国,在饥饿、世道艰难和住房紧缺仍然普遍存在的情况下,他却差不多要婉拒这份去莱比锡做教授的开价,对于这么年轻的一位科学家来说这可是天大的荣誉。虽然他父亲是拜占庭研究方面的教授,极力催促他去接受莱比锡的职位,但爱因斯坦和其他资深物理学家都劝他去跟着玻尔工作。海森堡决定赌一把高风险,就去了哥本哈根。“我总会再接到邀请的,否则就不该是我的。”
他对父母担保说。
量子力学的哥本哈根派诠释的发展舞台就这样铺就了。在物理学的基础研究方面,它既是祝福也是诅咒,持续了差不多一个世纪之久。
这不关月亮的事
到了1927年2月,海森堡的乐观态度渐退。6个月前,一到达丹麦首都,他和玻尔就开始拼搏,要把量子力学理解明白。海森堡十分满意于由数学形式体系来甩出各种概率,但玻尔则坚持认为物理学应该限于用日常话语来表达。他后来详细说明道,“说‘实验’这个词的时候,我们指的是可以告诉别人我们都做了些什么的那种状态……所以,……所有观察结果必须用毫不含糊的语言来表达”,还下结论道,“所有证据都必须用经典物理学的术语表达”
。海森堡反驳道:“当我们超越了这种经典物理学理论的范围时,我们必须意识到,我们的词汇不适用了。”
两人在另一点上也是观点相左。海森堡专一坚守粒子的概念,而玻尔则想把薛定谔的波理论也包括进来。头年夏天,海森堡曾试图与薛定谔讨论这件事,却被威廉·维恩斥责一顿,“你必须明白,我们现在已经不再跟所有那些有关量子跃迁的胡言乱语有关联了”
,这位较年长者在薛定谔甚至能够开始回答之前就对一脸惊愕的海森堡这样说。现在玻尔决定邀请薛定谔到哥本哈根来面对面地对他们互相接不上茬的解读进行讨论。薛定谔9月份来访时病倒了,受到玻尔妻子的护理,玻尔则坐在他的床边,催促他反悔并承认他的理论是错误的。这没起作用,薛定谔离开了,一致意见没达成。接下来的几个月里,海森堡和玻尔继续日复一日地进行他们的讨论,经常直到深夜,气氛越来越凝重。有时候经过了好几个小时的讨论,两人都觉得自己要接近崩溃了,海森堡会试着放飞一下头脑,到附近的费雷德公园一边散步一边一遍又一遍地问他自己:“大自然真的有可能像它看起来的那样荒诞吗……?”
最后,玻尔决定,他需要休整一下,就出发去挪威过四个星期的滑雪度假。留在家里的海森堡接着思考电子路径的问题,却再一次撞上“不可逾越的障碍”。“我开始怀疑,我们是不是一开始就问错了问题。”
他后来回忆道。忽然,海森堡回想起爱因斯坦在反驳他研究量子力学的第一种方式时所提出的一个论点:“试图把一个理论仅仅建立于可观察的体量上是相当错误的。现实中恰恰相反的情况在发生着。是理论决定了我们能观察到什么。”
爱因斯坦的论点就是哲学家们所知道的“杜恒-奎因论题”:为了从一项观察中提取实验结果,有必要懂得在测量过程中会发生什么,以及精确了解我们的测量装置和我们感官的性能。“你必须承认,观察是一个非常复杂的过程……只有理论,也就是自然法则的知识,才使我们能够从自己的感官印象中推断出实质性的现象。”
海森堡记得爱因斯坦是这么争执的。海森堡想到,如果理论决定了我们能观察到什么,那它是不是也决定了我们不能观察到什么?
午夜都过了很久,海森堡跑到幽暗的费雷德公园散步,就在那里,他得出了那个想法,它后来会演变为他那著名的“测不准原理”。知道一个粒子的路径就意味着可以既知道该粒子的位置,也知道在不同时间点上它的方向、它的速度。但是当实验员在云室中观察一个电子的时候,他不观察路径本身,而是观察一连串具体位置上的互动情况。由于指示粒子位置的水滴要比电子本身大得多,所以这并不一定意味着位置和动量两者都能被精确地知晓。
把这个想法与他的矩阵形式体系进行核对后,海森堡发现事实上不允许同时准确确定位置和动量。在海森堡版本的量子力学中,矩阵代表着对可观察到的量进行测量,例如位置或动量。然而,两个矩阵的乘积则要根据它们相乘时的顺序而定。这一奇怪的法则意味着,得到的结果会因为哪个量先被测量而不同:确定一个粒子的位置,然后再测量它的动量,所得到的结果会与按相反顺序来测量得到的结果不一样。10月份收到的沃尔夫冈·泡利的来信中讲道“人可以从动量角度来观察世界,也可以从位置角度来观察世界,但如果同时用这两种角度看世界,那就迷失掉了”
,现在海森堡能够把它再现出来了。其结果就是,粒子的确切位置,和它的精确动量或者说速度,不能被同时测量到,永远都有一样是不确定的。要么位置在哪不知道,要么动量是什么不知道,要么这两种量都知道了,但精确度有限。
海森堡觉得这相当于给自己平了反:如果一个粒子的位置和速度不能同时被确定,那么谈论原子内部的电子路径就没有意义。人要么不知道那个电子在哪里,要么不知道那个电子朝哪个方向移动。有了这一认识,海森堡觉得他找到了因果关系崩溃的源头。他写道,“因果律的错误在于,‘知道了现在就可以预测未来’这句话不是结论,而是假设”,“甚至从原则上来说,我们对现在也无法了解其一切细节……由此可知,量子力学宣告了因果律最终无效”
。
海森堡测不准原理的示意图:带有确定动量的平波队列在击中带有一个窄孔的障碍物后向所有可能的方向分散开去。
当玻尔从滑雪场回到哥本哈根时,带回来的只有惊愕。他立刻从海森堡的论据中找出了一个错误,并叫他把论文重写一遍。这时海森堡实实在在地哭出了眼泪
。玻尔看到的是,海森堡的测不准原理,不但不能证明量子波的想法无效,事实上表现了波的典型行为。长长的平波队列有明确的动量,但是当这些波形遭遇到带有一个小孔的障碍物,它们就在它后面产生出一个圆形波,向所有可能的方向分散出去。将这个波封闭在一个狭窄距离内,以便确定它的位置,就导致动量四散开来。玻尔于是把这种粒子-波的二元性看作是量子力学的核心要素,并拿出了一个他自己的解释:互补性。
很快互补性就变成了哥本哈根派量子力学要领的核心标记。但是互补性到底是什么呢?访问莫斯科的时候,玻尔在东道主办公室的黑板上潦草地写下了他这一想法的要义:“对立双方,粒子或波,不是互相抵触的,反而是互相补足的。”
在玻尔看来,把物质理解为粒子或波的这两种观点都有自己的道理,而且虽然它们看起来互相抵触,但每一方都会揭示出关键信息。玻尔解释道,“在不同实验条件下取得的证据不能只放在同一个场景中去领悟……只有完整凑齐各种现象才能穷尽观察对象可能携带的信息”
,而且“研究互补现象要求在实验的安排上有相互排他性”
。
海森堡固执地拒绝改动他的论文。他现在已经有了一个信念,自己的职业前途现在系于将薛定谔的波动力学驳倒,而且他确信,他需要迅速发表他的论文,以便能收到另一份工作邀请。海森堡写信给泡利说,“我陷入维护矩阵反对波的斗争中去了”
,这是一场“与玻尔的争吵”
,到了这个时候,海森堡和玻尔的争论升级成了个人冲突。最后海森堡作了让步,他对他的“不确定性”论文进行了补充,写了一个后记,承认“最近玻尔的调查研究已经导致……本项研究试图进行的……这项分析得到了本质上的深化和敏锐化”
……
正是海森堡与玻尔之间的这一痛苦妥协,后来成为人们所知的“哥本哈根诠释”的核心内容。这一诠释至少在接下来50年间将主导科学家的思想,以及未来几代物理学家要学习的教科书的讲解内容。它将为物理学家提供一个工作框架,用以处理他们在原子、核子以及固态物理中碰到的量子力学问题,但它是有代价的。在哥本哈根派的思路中,测量工作起着关键作用。根据海森堡的说法,“所观察到的每一样东西都是无数可能性中的一个选择”
,而且只有最终观察到的东西才是“真实”的。正是这个“现实真相是由观察行为产生出来”的说法,后来引燃了惠勒关于“我们自己创造了宇宙”的猜想。
回到用好莱坞电影情节来解释现实世界上来,互补性现象可以用单独一卷电影胶卷上有几部不同的影片来说明。由于光源的颜色或放映的角度不同,也许银幕上放映出来的不是《育婴奇谭》,而是1985年的科幻大片《回到未来》,让观影者很是摸不着头脑,他不知道放进放映机里的到底是什么胶卷。
尽管互补性这个概念很有意思,它的实际运行机制却仍然有些说不清。玻尔在不同时期,至少持有过两种不同版本的互补性理论。其中一个讲的是不同映像或银幕现实之间的关系,相当于粒子与带有明确动量的平波队列之间的关系。另一个描述的是银幕现实与它的内在本质,即放映机现实之间的关系,后者是薛定谔的波动方程描述的内容。
在这一点上物理学家们应该问过他们自己,是什么东西构成了这些互为补充的观察结果呢。这些互相矛盾的体验下面是什么样的基础真相?其实在科学史上,不论什么时候当物理学家发现了一个更具本质性的理论,可以有更大的应用范围时,他们都有办法使原有的虽然成功但只是在一定条件下有效的旧理论,被看作是对现实真相有了新颖概念的新理论的一种极限个案。一个著名的例子就是牛顿物理学,它可以被当作由爱因斯坦的狭义相对论的低能量极限而求出。但对量子物理学却没有这样做。与经典物理学不同,量子物理学有能力描述原子和亚原子现象。然而,这位哥本哈根物理学家没有把经典物理学看作更具本质性的量子现实或放映机现实中的一个极端个案,而是把量子力学看作一个工具,用来获取从银幕上体验到的有关经典事物的知识。新开创了量子潮流的那些头面人物没有一头扎下去,对量子测量背后隐藏的新现实进行探索。他们把量子革命留在了未完成状态。哥本哈根诠释反而从妥协演变成了成规教条。
爱因斯坦对此自然不满意:“玻尔-海森堡的息事宁人哲学,或者叫宗教?——筹划得太巧妙了,眼下它给真诚相信的人提供了一个舒适的枕头,轻易都别想把他唤醒。”
他不仅做出这样的评价,还添上一句:“月亮只是在你看向它的时候才存在的吗?
……我所信任的对现实进行解释的模型仍然是能反映事物本身可能性的那种,而不是仅仅能反映它们有多大概率发生的那种。”
H. 迪特尔·蔡赫后来的评价更加尖锐:“这是个十分有创意的实用策略,能避免许多问题,但是,从此以后在微观物理学中,就再也不允许探索以独特方式描述大自然了……只有为数不多的人敢提出反对意见说:‘这个皇帝没穿衣服。’”
分裂的世界
下一次海森堡与爱因斯坦的会面是在一年半以后,在布鲁塞尔召开的索尔维会议上。这大概是历史上最著名的科学大会,与会者名单甚至到今天读来仍然像是物理学界的名人词典:阿尔伯特·爱因斯坦、尼尔斯·玻尔、玛丽·居里(Marie Curie)、马克斯·玻恩、威廉·布拉格(William Bragg)、莱昂·布里渊(Léon Brillouin)、阿瑟·康普顿(Arthur Compton)、路易·德布罗意、保罗·狄拉克(Paul Dirac)、沃纳·海森堡、沃尔夫冈·泡利、马克斯·普朗克、埃尔温·薛定谔,还有其他人。1927年10月他们聚集到一起对“电子和光子”(光子是电磁场的特定量子)和“新量子力学”进行讨论。在布鲁塞尔,玻尔和爱因斯坦对微观世界的观点相互冲突,由此产生的争议甚至今天仍在继续。接下来的岁月里玻尔不得不多次驳斥爱因斯坦,一场争论接一场争论,基本都是以思想假设或德语所说的“Gedanken experiments(思维实验,指仅在想象或思维中进行的实验)”的形式表达的。尽管玻尔一个案例接一个案例获得了成功,他发展出了一个对量子力学的诠释,但后来愈发荒唐可笑。
根据玻尔和海森堡的“哥本哈根诠释”,量子力学已经不再是一个有关大自然的理论,它是一个有关实验人员对大自然的认知的理论:是一个人文概念,而不是科学概念。“人可能不禁要认为,在感知到的统计学世界背后还藏着一个真实的世界,在那里因果律是成立的。……这种瞎猜测似乎……没结果,也没意义。物理学应该只描述各项观察之间的相互关联。”
海森堡争辩道。与此类似,玻尔看到,在量子物体本身和对它的观察之间,“在原子物体和它们跟测量工具的互相作用……之间”,“要划出一条截然分明的分界线……是不可能的”
。根据哥本哈根派物理学家的看法,原子物体从测量这一行为中获得它们的现实存在。对于玻尔来说,现实世界就像是一部放映出来的电影,但没有把它创造出来的胶片或放映机:“没有量子世界”
。据说玻尔肯定地提出过,在微观的“非真实”量子物理学和“真实的”宏观经典物体之间设置一条假想的边界线,一条从那以来在实验中受到了多次沉重打击的边界线。通过树立起这种二元论,玻尔把爱因斯坦和海森堡在柏林辩论时已经被爱因斯坦批评过的东西给神圣化了:这相当于分裂了世界。
对于其布鲁塞尔的物理学同僚来说,爱因斯坦的批评,固执地要求超出能够观察到的范围去找出一个客观真相,越来越像是一个上岁数的守旧分子在固执己见,而不是指出在对物理学基础的理解中存在一个盲点。爱因斯坦的朋友保罗·埃伦费斯特(Paul Ehrenfest)斥责道,“爱因斯坦,我为你感到丢人,你现在对新的量子理论的批驳,就跟你的对立派批驳相对论完全一样”
,一语道破了此时多数物理学家的普遍印象。“多数物理学家一般认为玻尔胜出了,爱因斯坦输了。”莱昂纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)总结道。他是创立弦理论的人之一,名列当今最有影响力的理论物理学家。不过他接着说道:“我个人感觉,越来越多的物理学家也有此意,这种态度对爱因斯坦的观点是不公正的。”
事后看来,要找出海森堡、薛定谔和玻尔的讨论在哪里走错了路是可能的。对于年轻的海森堡来说,物理学是个数学游戏,它不一定非要反映出内在的本质真相,因此就没必要有量子波了;而薛定谔和玻尔两人一开始都把量子波误解为我们日常空间中的事物。他们没有意识到,正如美国哲学家戴维·阿尔伯特(David Albert)所准确总结的:“关于量子力学的每种总是令所有人都吃惊的奇怪现象,都可以有一个解释,说不定世界上具体的基本物质是在其他什么东西里四处飘荡着的,它比我们每天体验着的这个熟悉的三维空间要大,而且不同。”
今天我们知道,比如,描述像中微子那样的基本粒子的量子波不是在不同位置间振荡,而是在不同类型的中微子之间振荡,这个过程叫做“中微子振荡”,是2015年诺贝尔物理学奖的主旨内容。这种抽象的可能性空间是以“好莱坞电影情节诠释”的方式在描述量子现实或放映机现实;而用这种方式去观察,海森堡和薛定谔之间围绕着是粒子还是波的争论就归结为“一罐可乐是圆的还是方的”那样的争论了。这时在某个时间点上,玻尔参与了进来,评判说圆和方是体验可乐罐的两种互相补充的方式,但是我们必须坚持用是圆还是方这样的语言来描述,不准把可乐罐说成是圆筒形。
到了1932年和1933年,海森堡和薛定谔被授予诺贝尔物理学奖的时候,很明显这种诠释已经被普遍接受。然而迷雾没散。当海森堡站到玻尔一边的时候,倒不如说他们采用的这种诠释是把仍然笼罩在云里雾里的一切,定义为“不存在”。后来几代的物理学家们会把这种四处透风的哲学称为“来自北方的雾”
。
墙上的阴影,盒子里的猫
前边,我们用来理解量子现实的那个宇宙历史的“好莱坞电影情节诠释法”有个著名的哲学先祖。古希腊哲学家柏拉图在他的著作《理想国》中用了一个比喻,说的是一群囚犯终生被囚禁在一个洞穴中,被铁链拴在墙上。他们所看到过的一切只是由他们身后的火光照过来的东西的影子。对于这些囚犯来说,墙上的影子似乎就构成了现实真相。然后,某个机会来了,其中一个囚犯逃跑出去并见到洞穴外的天日。他看到了事物的真面目,并意识到他之前所知道的一切都只不过是这一本源现实世界的投影。等他回到他的囚犯伙伴身边,把外面世界的情况告诉了他们,他们却不相信他。他们被自己那受限的世界观束缚得太深了,无法想象其他的可能性了。
事实上,对于量子力学的工作原理来说,这不仅仅是个模糊的隐喻。记住,量子力学怪异现象中很大的一部分,究其根源就在于粒子是以波来描述的这个事实:与一排排的波浪在海洋表面向四外伸展开的样子相像,事物有可能同时存在于几个地方。举例来说,我们有这样一个场景,某个粒子可以从两个可能的位置上找到,比如“粒子此”和“粒子彼”,这些位置对应着相应地点上的单个波峰。但是一般来说,就像海洋中的波浪能够互相重叠,一个压着另一个那样,在实施测量之前,最终能测得的相当于两个波峰叠加的任意一种波形组合都是可能的。更奇怪的是,这种模棱两可的情况还不仅限于物体的位置,而是可以同样推广到其他特性。
事实上,量子系统的任何特性都可以用波函数来描述,而且就像用波浪来描述粒子的位置那样,相应的特性也可以叠加起来。就像浪涌在整个海面扩散开去,使夏威夷的冲浪者可以驾驭由几千英里之外的暴风雨造成的大浪,量子波也同样穷尽一切可能性。同样的道理,量子波撞上一块划了两个缝隙的板子时会同时穿过两个缝隙。这就是为什么,就量子波而言,一切能发生的事情就一定会发生。只有当这类粒子的位置或状态被测量的时候,一个明确的结果才会被观察到,其概率则是由玻恩的波函数随机诠释得出的。由于是波的量级决定着有多大可能性在一个地方或其他地方找到那个粒子,或者有多大可能它有这样或那样的速度,或者有随便什么其他特性,这就意味着在实际测量之前,不同的现实状态(“粒子此或粒子彼”,或者“快粒子还是慢粒子”)会同时存在。
1935年薛定谔把这个情况推而广之到宏观维度的时候,这个问题的怪诞之处就变得明显了。“你甚至可以构建起相当可笑的案例”,薛定谔从这里着手,然后就构建了一个怪诞的思维实验:“一只猫被圈养在一间钢制小屋中,随同放置的还有以下这个装置(这个装置必须可靠隔离,不让猫直接接触到):在一个盖革计数器里有一小点放射性物质,非常少的一点,可能每过一个小时会有一个原子衰变,但同时,还有同样的概率是,一个原子都不衰变。”虽然放射性本身不能伤害那只猫,但是放射性衰变却能触发毒药释放进入猫的囚笼:“如果衰变情况发生了,计数器管子就放松,并通过中继装置释放出一把锤子砸碎一小管氢氰酸。”薛定谔不是真的要折磨猫,而是以形象的方式说明,不经意的微观过程会对我们的日常世界造成什么样疯狂的影响:“如果人把这整个系统放置一边一个小时不管,如果在此期间没有原子衰变,人就可以说‘猫还活着’。因为第一个衰变的原子就会毒死它。(人)……对这一(状态)的表达,会说到‘活猫’或‘死猫’(不好意思就暂且这么表达吧)参半或者同等份额平摊。”
薛定谔用这只猫的例子讲解了一种“宏观量子叠加”,而且从那以后它就变成了量子古怪性的一个典型范例。
不过在我们的日常生活中,我们从来不会遇到任何诸如此类的量子疯癫情况。物体都有确定的位置,猫咪不是死的就是活的,不存在什么中间状态。只要一去观察,由量子波(或者说好莱坞电影那个例子里的那个胶卷)代表的潜在可能性于是就仿佛“坍塌”成一个单一的、独有的现实世界。就是这个看起来的“坍塌”,与柏拉图所说的现实本源在囚犯洞穴墙上的投影相对应。对于柏拉图来说,真正的现实是在外面,是洞穴居住者无法直接观察到的。与此类似,正统的哥本哈根诠释就是卡在了柏拉图所说的囚徒的视野里,也可以说是影院观众的视野,因为他们不知道放映机里发生的事。
这一点由约翰·冯·诺伊曼,一位在理解量子力学的努力中起领头作用的匈牙利数学家令人信服地讲清楚了。1932年,冯·诺伊曼就量子力学的数学基础发表了一本有影响力的教科书,书中他指出,从数学上来讲,波可以用坐标系中的一个向量来表示。于是两个重叠的,一个盖在另一个上的波就只不过相当于把两个向量相加。这一构建就是物理学家和数学家们所称的“希尔伯特空间”,它是以(薛定谔最要好的朋友)赫尔曼·外尔的导师,著名的数学家大卫·希尔伯特(David Hibert)的名字命名的。在量子力学中,坐标系的轴是由与可能的测量结果相对应的向量给出的,比如“粒子此”对“粒子彼”,或“死猫”对“活猫”。但是这些状态并不是唯一可以有的量子状态。在这样一个坐标系中,向量可以组合起来产生叠置的现实:通过把一个与“粒子此”或“活猫”对应的向量,和同等份额的与“粒子彼”或“死猫”相对应的向量相加,由此构成的一个向量在它所对应的量子状态中,找到“粒子此”或“粒子彼”的概率都是50%,或者说,观察到死猫或活猫的机会是相等的。
量子波可以表示为希尔伯特空间中的一个向量。根据这张图,一次测量对应着朝其中一个轴望过去的视角。
于是,在测量之前的量子状态,可以对应由两个轴向量的任何可能组合形成的一个单位长度合成向量。被定位的、“在此”和“在彼”的可能性均等的粒子可由一个合成向量代表,指向与坐标系成45°的方向。一般来说,对应着“粒子此”和“粒子彼”的向量,它们周遭一圈位置上的所有向量都是允许的(或更确切地说,成球状的周遭,因为前置因子为复合数的向量也可以相加)。
然后用所谓的“投影假设”来对测量过程进行描述。量子系统在测量之前的状态被投射到坐标轴上,由与各自数轴平行的那个状态向量的平方分量给出概率。从相当直观的意义上来讲,正像对宇宙历史所做的好莱坞电影情节式的诠释或柏拉图的洞穴那样,观察行为的量子力学过程就是被理解为把一个更加全方位的预构想投射到一个具体体验上去。
冯·诺伊曼还强调了另一个重要的方面。测量期间的投射过程,与薛定谔波动方程中未经扰动的状态持续而确定的演化相当不同。形成反差的是,测量行为相当于以突然不确定的方式跃入经典状态,现在通常把这称为“波函数的坍塌”。所以测量过程经常被称为“量子至经典变迁”,对波函数坍塌的理解困难变为众所周知的“测量问题”。1929年春天,在芝加哥大学的一次讲座中,海森堡详细解说道,量子力学“按时空概念来讲”
可以被看作是非因果性过程,也可以被看作是超越时空概念的因果过程。显而易见,接下来的一步就应该是去探索这种超越空间和时间的因果现象,去找出这能给那个测量问题造成什么样的影响,以及经典现实、空间和时间是如何从观察者的视角中呈现出来的。但量子先驱们没能这么做,而这一事实从那往后就阻碍了对物理学基础的研究。
尤其令人无语的是,冯·诺伊曼已经把量子系统表现为希尔伯特空间中的向量,从而证明了玻尔把非真实的放映机现实与可观察到的世界分离开的做法是相当故意的。本来顺着冯·诺伊曼的思路,把放映机现实归结于一种神性领域,把影院操作人员比作是对于观众来说类似神一样的存在是能够讲得通的。由测量而得到的银幕现实又是一个依照薛定谔方程来演化的希尔伯特空间中的向量,而且还可以就像放映机现实本来的原始样子那样,再次投影到另一次测量中。至少,向量代表的是某个特定物件的放映机现实,与银幕坍塌后的那个物件相比,它也并不特别。那么,是什么使得放映机现实变特殊了呢?我们将要看到的,是它那种把若干物体融合起来的能力,甚至,说得极端点,把宇宙中所有物体融合为“一”的能力。
回到惠勒的字母U来,这是“一幅启发思想的画”
,他自己这么形容它,想弄懂它很难。多数时候,惠勒的字母U被理解为是对他的信条“It from Bit”
的图解,也就是物质起源于信息的思想:“每一个粒子,每一种场或力,甚至是时空连续体本身,其功能、其意义、其整个的现实存在,都是源自——哪怕在某些情况下是间接的——对‘是或否’这个二元选择题,或二进制数位选择题作出的回答,而且是由机械装置抽取出来的。”
但是这个解释没回答惠勒的画中最令人费解的一个方面。如果我们所体验的每样事物都是信息,那么用来储存这一信息的这个“电影胶卷”、这个“硬件”、构成这个宇宙的根本材料又是什么呢?对于玻尔和海森堡而言,这个硬件根本不存在。
惠勒没有给出一个明确的答复,而且很有可能就连他自己也不知道他到底想要表达什么。他从前的学生和长期合作者,与惠勒在研发氢弹时一起工作的肯·福特(Ken Ford)记得的是:“我不能说惠勒对他所宣扬的任何一个想法都字字相信。他反而希望,它们能对其他人有所启发,特别是下一代物理学家,能由他们来把这些想法从猜测转变为真正的物理学。”
然而在另一个地方,惠勒提供了一些线索:“重点是,宇宙是一个巨型合成体,一直在作为一个整体进行着整合……它是个囫囵整体。”
他还猜测,有没有可能“物理世界的全面综合景象(将)不是由下往上的,像一只乌龟站在另一只乌龟上那样叠置成没有尽头的高塔,而是一个宏伟的图案把它所有的组成部分都连接在一起”
。好莱坞电影情节式的诠释可以用来帮助解释这一观点:在银幕上,那个古生物学家苏珊和那只豹子,是界限分明的单独角色。但是在电影胶卷上,他们都只不过是单独一个镜头上的几个形象而已。
量子力学则走得更远。在量子力学中,所谓的纠缠体系是如此完全彻底融合的,根本再也无法对它们的构成成分的性质进行任何描述。在量子力学中,所有个体物件以及它们的一切特性,都是观察者视角的结果。物质、时间和空间也一样,至少潜在意义上一样:它们并不真的存在于胶片上,而是被体验到的在银幕上展开的故事的一部分。事实上,这一观点再一次与柏拉图的哲学惊人地相似。它设想隐藏在宇宙最本质层面上存在的单一的一个物件就是宇宙自身。或者,用柏拉图的话来说:“太一”。