チャプター13 第12章 新しい遠征

一 1953 年、若き多才な物理学者マレー。Murray Gell-Mann はプリンストン大学を離れ、シカゴ大学の講師になりました。当時のシカゴはまだエンリコに包まれていました。フェルミの輝きの下、この科学界の巨人が 1938 年に核物理学の理論への卓越した貢献によりノーベル賞を受賞してから、ほぼ 16 年が経過しました。ゲルマンは、さらに16年後に同じ名誉が彼に降りかかるとは想像もしていなかったかもしれません. すでに成功を収めて有名になったフェルミは、今でも寛大で気楽な態度を維持しており、科学的な問題について誰とでも喜んで話し合っています。原子核物理学が急速に発展した時代において、その基礎となる量子論は神聖で不可侵の古典とみなされてきたが、フェルミは常に疑問に満ちていた. 彼はゲルマンに何度も尋ねた.

量子論は正しいので、重ね合わせは普遍的な現象でなければなりません。しかし、なぜ火星は軌道から広がるのではなく、明確な軌道を持っているのでしょうか? 当然、答えはコペンハーゲンのバッグの中にありました。火星が広がらなかった理由は、誰かがそれを見ていたか、誰かが見ていたからです。見るたびに波動関数が崩れていきます。しかし、フェルミもゲルマンも、この答えはあまりにも退屈でばかげていると感じており、もっと良い説明があるに違いありません。 フェルミが生きている間に、これ以上の答えが得られなかったのは残念です。彼は 1954 年に亡くなり、翌年、Gell-Mann はカリフォルニア工科大学に移り、素晴らしいキャリアをスタートさせました。カリフォルニア工科大学には優秀な学生が絶え間なく流入しており、James B Hartle もその 1 人です。1960年代、ゲルマンに師事して博士号を取得し、量子宇宙論について十分な研究と考察を行い、徐々に頭の中にアイデアを形作った。当時、ファインマンの経路積分法は 20 年以上にわたって確立されており、1970 年代には、歴史の冒頭で述べたように、Zurek と Zeh らによってデコヒーレンスの新しい理論が開発され、それも確立されました。の努力1980 年代にエベレットの多元宇宙説が物理学界で復活し、急速に人々の関心を集めました. すべての外部条件は徐々に成熟しました. 1984 年にロバート グリフィスが彼の論文を発表した後、デコヒーレンス ヒストリー (略して DH) の説明が正式に確立されました.

また、エベレットの MWI も覚えています。シュレディンガー方程式の進化において、宇宙は複数の世界に投影され、各世界で異なる結果が生成されます。このように、宇宙の発展の歴史の中で、ますます多くの世界が徐々に生み出されていきます。歴史は一つだけど、世界はたくさんある！ Hartl と Gell-Mann が歴史に関する Griffith の論文を読んだとき、彼らは突然の洞察を得ました。彼らは叫び始めました：いいえ！事実は、エベレットの仮定と正反対です。世界は 1 つしかありませんが、歴史はたくさんあります。 歴史という言葉に言及するとき、おそらく最初に頭に浮かぶのは、古代エジプト、バビロン、ギリシャとローマ、唐、宋、元、明、清などの概念です。歴史は過去の研究です。しかし、物理学では、過去、現在、未来を明確に区別することはできません。少なくとも理論的には、これらの状態を明確に区別できる機能はありません。物理的な観点から歴史について話すと、システムが経験した期間と、この期間中に経験した状態の変化としてのみ定義されます。たとえば、箱の中に閉じた粒子の束の歴史を議論すると、熱力学の第 2 法則に従って粒子が徐々に広がり、最終的に最大の熱放射平衡状態に達すると予測できます。もちろん、その中でブラック ホールが形成され、残りの熱放射と平衡状態になる可能性もあります. 量子ゆらぎとホーキング蒸発により、系はこれら 2 つの平衡状態の間で絶えず揺れ動く可能性が非常に高いですが、とにかく、特定の瞬間に対応して、私たちのシステムには特定の状態があり、それらを接続することは、システムの履歴と呼ばれるものです。

量子力学ではすべてが離散的であり、連続的ではないことを覚えておく必要があります。そのため、ある期間について話すとき、実際に話しているのは、t0、t1、t2 からのすべての瞬間を含むセットです。 tnへの道。したがって、私たちが話している履歴は、実際には、時間 tk に対応して、システムが対応する状態 Ak を持っていることを意味します。 私たちは今でも、問題を説明するために、多くの人々が見たり聞いたりするのを好む比喩を使用しています。あるリーグに参加しているサッカー チームを想像してみてください。リーグには合計 n ラウンドがあります。次に、このチームの履歴は次のとおりです。リーグの第 k ラウンド (瞬間 k) に対応し、観察すると、このゲームの結果 Ak が得られます (Ak は 1:0、2 のいずれかになります)。 :1、3:3 など)。このチームの歴史を完全に書き出すと、おそらく次のようになります。

1:2、2:3、1:1、4:1、2:0、0:0、1:3 簡潔にするために、ここでは 1 つのゲームの状況のみを調べます。ゲームの可能なすべての履歴の総数は、理論的には無限ですが、もちろん、実際には、スコアは一般的にあまり高くありません。ゲームがプレイされていない場合、または少なくともその結果がわからない場合、各履歴について、その発生確率を推定することしかできません。実際には、確率でさえ計算するのが難しいことがよくあります (ブックメーカーのオッズを参照したり、いくつかのギャンブル Web サイトを参照したりすると役立つ場合がありますが、かなり誤解を招く可能性があります) が、これは理論的な問題であるため、計算によってあらゆる種類の履歴の正確な確率。たとえば、1 対 0 で勝つ可能性は 10%、1 対 2 で負ける可能性は 20% などです。

そんなに言ったのに、これらの用途は何ですか？焦らないでください。結果はすぐにわかります。 これまでは、古典的な確率を扱ってきたので、それらは加算的です!つまり、2 つの履歴 a と b があり、その発生確率がそれぞれ Pa と Pb である場合、a または b が発生する確率は Pa+Pb です。例を挙げて、質問したい場合: 2 点差で勝つ確率は? の場合、2 つのゴールの得失点差のすべての過去の確率の合計に等しくなければなりません。つまり、P(2:0)+P(3:1)+P(4:2)+これは当然のこと。 しかし、量子論に戻りましょう。不思議なことに、量子論では、そのような加算が常に可能であるとは限りません!私たちが非常に冷静に議論した実験を取り上げてみましょう。左のスリットを通過する電子が 1 つの履歴であり、右のスリットを通過する電子が別の履歴である場合、電子が左のスリットまたは右のスリットを通過する確率はどれくらいですか?それをいわゆる密度行列 D に入れて計算し、表に並べる必要があります。

この表では、座標 (左、左) にある値は、履歴が左の継ぎ目を通過する確率です。（右、右）にとどまっている人は、間違いなく右のスリットを通過する可能性があります。しかし待ってください、D(左、右) と D(右、左) の 2 つのエクストラがまだあります!この二つは何ですか？それらは確率ではありませんが、左と右の 2 つの歴史の間の相互干渉を示しています。残念ながら、計算ではこれらの干渉項が機能しないことがよくあります。 つまり、左のスリットを通過した履歴と右のスリットを通過した履歴は独立ではなく絡み合い、干渉項が存在する。電子が左のスリットを通過するか、右のスリットを通過するかを計算すると、従来の確率ではなくなります. 簡単に言えば、そのような結合履歴には確率がありません!これが、二重スリット実験で、電子が左のスリットまたは右のスリットのどちらかを通過するとは言えず、同時に二重スリットを通過しなければならない理由です。なぜなら、2 つの履歴は一貫しているからです!

フットボールの例えに戻ると、量子リーグでは、すべての可能な歴史は首尾一貫しており、1:0 の歴史と 2:0 の歴史は互いに干渉するため、それらの確率は加算されません!つまり、1:0 の確率が 10% で 2:0 の確率が 15% の場合、1:0 または 2:0 の確率は 25% ではなく、ある種の漠然とした何か、確率を与えることはできません！ それはあまり良く聞こえませんが、これらの確率が合計されない場合、サッカーでギャンブルをしたり、サッカーの宝くじを購入したりする人々は圧倒され、合理的にお金を投資することができなくなります.確率を計算できない場合、他に何ができるでしょうか?しかし、心配しないでください。何か素晴らしいことが起ころうとしています。1 つまたは 2 つの確率を予測することはできませんが、実際に勝つか引き分ける確率を予測することはできます!これはすべて、デコヒーレンスメカニズムの存在によるものです。

ここに魔法の秘密があります: ゲームの特定のスコアを気にせず、その結果だけを気にする場合、実際には多くの情報を無視します。たとえば、特定のスコアではなく、勝ち、勝ち、引き分け、負け、勝ち、負けの履歴を議論する場合、実際には大まかな履歴を構築します。リーグの各ラウンドで、私たちが観察する状態 Ak には、より洗練された無数の状態が含まれています。例えば、チームが第 2 ラウンドで勝つと言う場合、1:0、2:1、2:0、3:1 が含まれ、勝利として要約できるすべての具体的な結果が含まれます。専門用語では、特定の可能な各スコアを細粒度の履歴と呼び、勝敗などの履歴を粗粒度の履歴と呼びます。 繰り返しますが、簡潔にするために、1 つのゲームのケースのみを調べます。1 つのゲームの場合、その粗粒度の履歴は、勝ち、引き分け、負けの 3 つのタイプにすぎません。勝つ確率が 30% で、引き分けの確率が 40% の場合、勝ちまたは引き分け、つまり不敗になる確率はどれくらいですか?量子論は古典的な確率を与えることができないかもしれないので、誰もが上記の議論をまだ覚えていて、心配し始めるかもしれませんが、今回は違います!今回、量子論は古典的な確率に似た答えを出しました: 無敗の確率 = 30 + 40 = 70%!

どうしてこれなの？勝利と平和の関係を計算すると、実際にはそれらに含まれるすべての穀物の歴史の間の関係が計算されたことがわかりました!勝ちと平和を行列に入れて計算すると、確かに（勝ち、引き分け）などの干渉項目が得られますが、この干渉項目は何ですか？これは、2 種類の粗粒度の履歴を構成するすべての細粒度の履歴の干渉の合計です。つまり、1:0 と 0:0 の間の干渉、1:0 と 1:1 の間の干渉、2:0 と 1:1 の間の干渉などが含まれます。要するに、考えられるすべての干渉のペアが考慮され、これらすべての干渉が一緒になって完全に打ち消されたことに驚きました。最終結果が出たとき、Shengping と Heping の間の干渉項は、完全に消えていないとしても、無視できるほど小さくなっています。Shengping と Heping の 2 つの大雑把な歴史はもはや関連性がなく、支離滅裂です。

量子力学では、いわゆる経路積分 (経路積分) 法を具体的に使用して、これらすべての履歴を計算するためのデコヒーレンス関数を構築できます。歴史の少し前に経路積分について言及しました. これは有名なアメリカの物理学者ファインマンによって 1942 年に発表された量子計算法です. ファインマン自身は後に 1965 年にノーベル物理学賞を受賞しました.経路積分は、時間と空間全体を合計する方法です. 粒子が A から B に移動するとき、その軌跡をすべての可能な空間とすべての可能な時間の重ね合わせとして表現します!初期状態と最終状態のみを気にし、中間状態を無視します. 気にしないこれらの状態については、すべての可能なパスをたどって合計します. 微妙なことに、これらのパスはしばしば互いに打ち消し合うことになります.外。 Quantum Football Field でも同じことが起こります。私たちはゲームの結果だけに関心があり、特定のスコアなどの微妙な事柄には関心がありません。特定のスコアを無視すると、実際には、可能性のあるスコア (履歴) ごとにトラバーサルの合計が実行されます。すべての細粒度の履歴が合計されると、それらの干渉は完全に相殺されるか、少なくともほぼ相殺される傾向があります。この時点で、古典的な確率がテーブルに戻り、2 つの粗視化された履歴の確率が再び加法的になり、量子論がついに再び機能するようになります。ゲームが 1: か 2: かはわからないかもしれませんが、ゲームが勝ったか引き分けかは間違いなくわかります!2つの歴史はもはや関係がないからです！ 重要なのは、十分に粗粒度の履歴を構築する必要があるということです。ジェニファーのデジタル写真を 2 枚送ったようなものです。ロペスとジェニファー。アニストンをクローズアップして、2 人の中でどちらが美しいと思いますか。これらの写真を最大サイズに拡大すると、異なる色のカラー ブロックのみが表示される場合があり、2 つの写真に大きな違いはないように見えます。解像度を十分に下げるか、カラー ブロックをぼかすために十分に解像度を下げることによってのみ、構図全体を確認し、2 枚の写真の違いを効果的に区別して比較することができます。結論として、2 つの画像は十分に粗い場合にのみ区別できます。これは私たちの歴史でもあります。2つの履歴の粒子が互いに干渉するほど微細である場合, 私たちはそれらを区別することはできません. 例えば, 私たちは、左のスリットを通過する電子と右のスリットを通過する電子の2つの履歴を区別することはできません. それらはで起こっています.同時！しかし、歴史の粒子が十分に粗い場合、2 つの歴史を効果的に分離することができ、それらは支離滅裂です! 電子の振る舞いを観察して最終的な結果を得ると、実際には一種の粗視化された履歴が構築されます。これを 2 つのことに要約できます。左側の粒子を観察し、右側の粒子を観察します。なぜそれらが粗粒度の歴史であると言うのでしょうか?私たちが無視するものがたくさんあるからです。今では、電子を観察するときに電子がどこにあるかだけに関心があり、実験室のどこに立っているか、今日ラーメン、ハンバーガー、寿司を食べたかどうかは気にしません。また、観察を行うときに空気中のほこりの量さえ気にしません。 . どれくらいの光子が窓から入ってきて、私たちと相互作用しているのでしょうか? 理論的には、それぞれの異なる状況は特定の種類の歴史に対応しているはずです. たとえば、ラーメンを食べた、左側に電子を観察した、ハンバーガーを食べたなどです.左側で観測された電子は、実際には 2 つの異なる履歴です。左側の電子を観察し、同時に1億個の光子が当たることと、左側の電子を観察し、同時に1億個と1個の光子が当たることも、2つの異なる歴史ですが、私たちは気にしません.電子が左側のカテゴリにあることが観察されるまで、実際には非常に粗い歴史を構築します。 ここで、電子が左側にあることを観測した場合と電子が右側にあることを観測した場合の 2 つの履歴の間の干渉を計算すると、実際にはあまりにも多くのことをエルゴード加算しています。ハンバーガーを食べたあなた、寿司を食べたあなた、ラーメンを食べたあなたのそれぞれの運命を渡り歩いてきました。私たちはこの期間にあなたに衝突したすべての光子を横断し、宇宙の終わりにあるあなたとすべての電子との間の相互作用を横断しました. 私たちが観察する電子の位置がシステムであると言えば、n個の粒子があり、この系を構成しており、その中でm個の粒子の状態が実際に電子を左側で観察するか右側で観察するかを決定します。次に、m個の粒子を除いて、すべての粒子の運命が計算で加算されました。時間的には、実際に観測された瞬間を除いて、過去でも未来でも、あらゆる瞬間のすべての粒子の状態も追加されています。これらの計算がすべて完了すると、各方向の干渉はほぼ等しくなり、結果から相殺されます。結局のところ、電子が左側にあると観測され、電子が右側にあると観測される2つの粗視化された歴史はデコヒーレントであり、それらはもはや互いに接続されておらず、どちらか一方しか感じられません。彼ら！ 魔法のような話に聞こえるかもしれませんが、これは最近非常に人気のある量子論の解釈です!1984 年に Griffith がその道を切り開き、1991 年に Hartle がその拡張と完成に着手しました。すぐにゲルマンとオムネス (ローランド オムンズ) が仲間入りし、これらの優れた物理学者はすぐにそれを雄弁なシステムに変えました。量子論の含意をより深く理解するために、この考えをさらに調査する必要があります。 二 デコヒーレンス ヒストリー (DH) の説明によると、宇宙の歴史を十分に細かく分割すると、実際には、多くの細粒の歴史が同時に発生 (コヒーレント) していることがわかります。例えば、観測がない場合、電子は明らかに左のスリットを通過する履歴と右のスリットを通過する履歴を同時に2回経験します。しかし、一般的に言えば、私たちは過度に細かい歴史には関心がなく、観察できる粗い歴史だけに関心があります。相互のデコヒーレンス（デコヒーレンス）により、これらの歴史はつながりを失い、私たちが感じることができるのは1つだけです。 ヒストリグレインの厚みに応じて、ヒストリツリーを作成できます。または、クォンタム リーグを例にとると、リーグでのチームの歴史をどの程度大まかに分けることができますか?たぶん、リーグタイトルを獲得することと、リーグタイトルを獲得しないことの2つのカテゴリに分けることができます.この非常に大雑把なレベルでは、チャンピオンシップに勝つことだけに特に関心があり、それ以外は何も考慮されません。それらはすべて計算に追加されます。しかし、正確に続けることもできます.たとえば、優勝の分岐では、勝率が 50% を超えて優勝する場合と、勝率が 50% を超えない場合に優勝する場合の 2 つの分岐に引き続き分割できます。 %。同様に、勝ったゲームの総数、各ゲームの特定の結果、および各ゲームの詳細なスコアまで分割を続けることができます。もちろん、実際には、誰がゴールを決めたのか、スタジアムに何人の観客が来たのか、何人の観客が赤い服を着ていたのか、スタジアムにどれだけの草が生えていたのかなど、まだ細かく続けることができます。しかしここでは、ゲームの最も詳細な情報は特定のスコアであり、それ以上の詳細な情報はないと仮定します。このように、履歴ツリーは特定のスコアに分割することはできなくなります. 最下層は葉であり、最大限に細分化された履歴としても知られています. 2 つの葉の場合、それらは通常互いに関連しています。1:win と 2:win の履歴を明確に区別できないため、従来の確率を使用してそれらを計算することはできません。しかし、適切な粗視化によって、常識に沿った歴史を構築することはできます.たとえば、歴史の 3 つのカテゴリ、つまり、干渉とデコヒーレンスが失われているため、勝利、引き分け、敗北の 3 つのカテゴリを区別できます。このようにして、これらの歴史を伝統的な古典的確率を使用して計算することができ、これは歴史のデコヒーレントなファミリーを形成し、同じファミリー内でのみ、通常の合理的な論理を使用してそれらを処理できます.それらの間の確率関係.時々、私たちはデコヒーレンスについて話さないが、それを一貫した歴史と呼んでいる. DHの創設者の一人であるグリフィスはこの用語を好んで使うので、デコヒーレンスの歴史はしばしば一貫した歴史の解釈と呼ばれる.多くの歴史理論。 一般に、履歴ツリーのルート (上) に近づくほど、粒度が粗くなり、邪魔になりません。もちろん、すべての粗視化された履歴に干渉がないわけではなく、従来の確率を割り当てることができます。具体的には、特定の一貫性の条件が満たされている必要があり、これらの条件は数学的に厳密に導出できます。 ここで、シュレディンガーの猫の場合を考えてみましょう。その運命的な原子が崩壊するとき、原子自体に関する限り、崩壊/非崩壊の 2 つの可能性のある重要な歴史をたどります。原子自体は個々の粒子にすぎず、無視することはあまりありません。しかし、猫がこのプロットに引きずり込まれると、歴史的な台本は猫が死んで猫が生きているに置き換えられます。状況は異なります!猫が死んでいるか、生きているかは非常に曖昧な表現です. 猫を説明するには 10^27 個の粒子が必要です. 猫が生きていると言うとき、猫と外界との間のすべての相互作用を無視します.呼吸の仕方、物質やエネルギーを外界と交換する方法など。猫が死んだとしても、猫の n 個の粒子は外界と相互作用しなければなりません。言い換えれば、猫の生と猫の死は実際には歴史の 2 つのカテゴリの合計であり、勝利は 1:0、2:0、2:1、およびその他の歴史の合計です。猫の死と生きた猫の間の干渉を計算すると、実際には、これら 2 つのカテゴリの歴史の下にあるすべての影響力のある歴史のペア間の干渉を使い果たし、それらのほとんどは最終的に相殺されます。猫の死と猫の生との切っても切れない関係は断ち切られ、それらは支離滅裂であり、最終的に実際に起こるのはそのうちの 1 つだけです!密度行列の観点から問題を見ると、行列の対角線上の古典的な確率を除いて、他の干渉項目がすぐに減少することがわかります。行列は対角化されています!そして、自発的なランダムローカリゼーションも、外部オブザーバーも、目に見えない隠し変数もありません! DH の説明が正しければ、私たちは実際に毎瞬間複数の歴史を経験しており、世界のすべての粒子は実際にはすべての可能な歴史の重ね合わせの中にあります!しかし、巨視的なオブジェクトに関して言えば、私たちが観察して記述できるのは、粗粒度の履歴にすぎず、詳細が消去されると、これらの履歴は支離滅裂になり、永久に失われます。例えば、猫が最後に生きている場合、猫の死の枝は歴史ツリーから除外されます.オッカムの剃刀によれば、これらの歴史はもはや宇宙に存在しないと言えます. 奇妙に聞こえるかもしれませんが、少なくとも理にかなっていますね。粗粒度の方法は混乱を招くように見えるかもしれませんが、それほどうるさいわけではありません。実際、私たちは意識的かどうかにかかわらず、常にそれらを使用しています。たとえば、中学校では地球と太陽の間の引力を計算し、2 つの惑星を 2 つの粒子に粗視化しました。実際、地球と太陽は 2 つの巨大な球体ですが、すべての点を重心に置き換え、それらの特定の位置を無視した後、2 つの球体の内部にある質点の各ペア間の距離を知らず知らずのうちに追加してしまいました。 .DH 解釈で行うことは、もう少し複雑です。 数学的な観点からは、DH は明確に定義された理論であり、哲学的な観点からは、その支持者は、それが最小限の仮定と物理的現実を最もよく反映した理論であると主張することを非常に誇りに思っています。しかし、DH の生活は宣伝されているほど簡単ではありません. それに対する最も激しい攻撃は、前の章で言及した GRW 理論の創始者の 1 人である GianCarlo Ghirardi からのものです.DH 理論の作成以来、イタリア人と彼の同僚は、デコヒーレンスの歴史的解釈を攻撃するさまざまな物理学ジャーナルに少なくとも 5 つの論文を発表しました。 Ghirardi は、DH 解釈が従来のコペンハーゲン解釈より優れているとは言えないことを鋭く指摘しました。 すでに説明したように、DH 解釈の枠組みの中で、一連の粗粒度の履歴を定義します。これらは、いわゆる一貫性条件ファミリーを満たす場合に、相互にデコヒーレントな履歴を形成します。たとえば、私たちのリーグでは、特定のゲームの場合、勝ち、引き分け、負けは正当な歴史的ファミリーであり、互いにほとんど関係がないため、そのうちの 1 つだけが発生する可能性があります。ただし、数学で同じ手法を使用して、他の歴史的なファミリを定義することもできます。これらも合法です!例えば、必ずしも勝敗の関係に注目しているわけではなく、得点数などの別の側面も考慮することができます。ここで、別の種類の粗視化を行い、ゲームの結果を、ゴールなし、1 ゴール、2 ゴール、および 2 ゴール以上として区別します。数学的には、これらの 4 つの歴史も一貫した条件を満たし、デコヒーレントな歴史の別の完全なファミリーを構成します! さて、ゲームを観察するとき、得られる結果は、選択したヒストリー ファミリーによって異なります。同じゲームで勝利を観察することもできますが、別の角度から見ると、2 ゴールを記録することも観察できます。もちろん、それらの間に矛盾はありませんが、実際に実際に何が起こったのかを注意深く考えると、それでも混乱します. 勝利を観察するとき、1:0、2:1、2:0、3:0 など、その下にある細かい粒のすべての履歴が発生していると想定します。すべての履歴が発生しましたが、それらは特定のきめの細かい結果には関心がありません。しかし、同じゲームで 2 ゴールが記録されたことも観察される場合があります。2:0、2:1、2:2、2:3など ここで、特定の種類の微粒子の歴史を考えます。たとえば、そのような歴史です。私たちは実際にそのような歴史を観察したことはありませんが、これは私たちが次の質問をすることを妨げるものではありません: 1: 過去の歴史は起こりましたか?観察結果が勝利だった場合は明らかに起こりましたが、観察結果が 2 ゴールを決めた場合は明らかにそうではありませんでした。ただし、同じゲームについて説明しています。 DH の当初の意図は、教科書のコペンハーゲンの説明を覆し、観察者を理論から追い出し、物理的な世界を客観的で現実的な説明に戻すことです。つまり、すべての物理的性質は、あなたと私の観察を超えて独立して存在し、主観的なものによって変化することはありません。しかし今、DH は口がきけないようで、コプティスを食べて苦しんでいるのかどうかわかりません。1: 中国の歴史が真実であるかどうかの物理的な説明は、客観的な存在ではなく、歴史的な家族の選択に本当に依存しています!これはボーアらと同じ目標のようです: 宇宙には純粋に客観的な物理的性質はなく、すべての性質は特定の観測方法でのみ関連付けることができます! しかし、DH の支持者は、合理的な論理的推論 (推論) は同じデコヒーレントな家族内でのみ使用でき、家族間で使用することはできないと主張しました。例えば、勝敗の履歴でそのような結論を得た場合、それを別の履歴（無失点、1失点、2失点など）に持ち込んで比較してはいけません（無失点、1失点、2失点など）。それらを互いに。彼らはこれを、量子論における最も重要な原則であると宣言した一族規則と呼んだものにまとめました。 これはさておき、DH のもう 1 つの問題は、理論上は実際には多種多様なデコヒーレントなファミリーが存在することですが、実際には 1 つしか観察されません。量子リーグを例にとると、単一のゲームに関する限り、先にデコヒーレント ファミリー、つまり勝ち、引き分け、負けを定義しました。このファミリには 3 つの粗粒度の履歴が含まれており、それらはすべて相互に関連性がありません。これはまったく悪くないように見えますが、問題は、勝ち、引き分け、および負けが可能であるだけでなく、他の得点方法が無限にあり、そのほとんどは奇妙であり、常識に沿っていませんが、理論はそうではありません。これらの他のカテゴリを観察しない理由を説明してください! たとえば、理論的には 3 つの履歴を定義します: 勝ちと引き分け、勝ちと負け、引き分けと負け. これらの 3 つの履歴は、数学においても合法的で完全なデコヒーレンス ファミリを構成します: それらの確率は古典的に追加できます。これらは観察されますが、他の 2 つは観察できません。しかし、現実にはゲームに勝ち負けが存在しないことは明らかなので、DH には説明が必要です。実際にはゲームが勝ちと引き分けではなく、勝ちと引き分けと負けに分けられる理由を説明する必要があります。数学的に違う！ この問題に関して、DH の擁護者は、理論は現実の動作を説明する義務があるだけで、現実の存在を説明する義務はないと言うかもしれません!私たちは、理論から現実を構築するのではなく、現実から理論を構築するために始めます!たとえば、1 頭の牛と 1 頭の牛は 2 頭の牛に等しく、1 頭のスフィンクスと 1 頭のスフィンクスは 2 頭のスフィンクスに等しいと言うのは数学的に正しいですが、数学は現実の世界でその理由を説明する義務はありません。 、スフィンクスのようなモンスターではありません。この点で、実証主義者とプラトン主義者はよく対立しますが、その顕著な例が超弦理論です。ひも理論は私たちの世界を 10 次元で説明し、そのうちの 6 次元は丸くなっていますが、なぜ 5 次元や 8 次元ではなく 6 次元を説明できなかったのかについて、いくつかのとがったやじを引きました。しかし、実証主義者はしばしばそのような追求について疑問に思います.6次元のカーリングだけが私たちが観察する現実の世界を説明できると仮定するだけです(現実の世界は4次元です).根深い質問が多いのはなぜですか？ しかし、もし DH 支持者がそのような実証主義者の立場を維持するなら、彼らは一時的に、最も徹底的な実証主義であるボーアとハイゼンベルグのコペンハーゲン解釈を取り除くというこの理論を確立する当初の意図を無視するかもしれません!いずれにせよ、これに関するDHの態度は少し恥ずかしいものであり、量子力学に関する大きな議論はまだ進行中であり、誰の見解が本当に正しいかはまだわかりません.100 年以上にわたって私たちを悩ませてきた量子魔法は、いまだにその最も深い秘密を世界に明かすことを拒否しています。おそらく、この秘密は最終的に永遠の謎になるでしょう。 夕食後のゴシップ: 時間の矢 私たちは 4 次元の世界に住んでおり、3 次元は空間、1 次元は時間です。時間是一個很奇妙的東西，它似乎和另三維空間有著非常大的不同，最關鍵的一點是，它似乎是有方向性的！拿空間來說，各個方向沒有什麼區別，你可以朝左走，也可以向右走，但在時間上，你只能從過去向未來移動，而無法反過來！雖然有太多的科幻故事講述人們如何回到過去，但在現實中，這從來也沒有發生過，而且很可能永遠不會發生！這樣猜測的理由還是基於某種類似人擇原理的東西：假如理論上可以回到過去，那麼雖然我們不行，未來的人卻可以，但從未見到他們回來我們這個時代。所以很有可能的是，未來任何時代的人們都無法做到讓時鐘反方向轉動，它是理論上無法做到的！ 這看起來很正常，無法逆著時間箭頭運動，這似乎天經地義。但在物理上，這卻是令人困惑的，因為在理論中，似乎沒有什麼特徵可以顯示出時間有一個特別的方向。不論是牛頓還是愛因斯坦的理論，它們都是時間對稱的！中學老師告訴你t0時刻的狀態，你就可以向未來前進，推出tn時刻，但也可以反過來向過去前進，推出-tn時刻。理論沒有告訴我們為什麼時間只能向tn移動，而不可以反過來向-tn移動！事實上，在基本層面上，不管時間是正著走還是倒著走，它都是符合物理定律的！但是，一旦脫離基本層面，上升到一個比較高的層次，時間之矢卻神秘地出現了：假如我們不考慮單個粒子，而考慮許多粒子的組合，我們就發現一個強烈的方向。比如我們本身只能逐漸變老，而無法越來越年輕，杯子會打碎，但絕不會自動粘貼在一起。這些可以概括為一個非常強大的定律，即著名的熱力學第二定律，它說，一個孤立體系的混亂程度總是不斷增加的，它的量度稱為熵。換句話說，熵總是在變大，時間的箭頭指向熵變大的那個方向！ 現在我們考察量子論。在本節我們討論了DH解釋，所有的歷史都是定義得很好的，不管你什麼時候去測量，這些歷史從過去到未來都已經在那裡存在。我們可以問，當觀測了t0時刻後，歷史們將會如何退相干，但同樣合法的是，我們也可以觀測tn時刻，看之前的那些時刻如何退相干。實際上，當我們用路徑積分把時間加遍的時候，我們仍然沒有考慮過時間的方向問題，它在兩個方向上都是沒有區別的！再說，如果考察量子論的基本數學形式，那麼薛定諤方程本身也仍然是時間對稱的，唯一引起不對稱的是哥本哈根所謂的坍縮，難道時間的流逝，其實等價於波函數不停的坍縮？然而DH是不承認這種坍縮的，或許，我們應當考慮的是歷史樹的裁剪？蓋爾曼和哈特等人也試圖從DH中建立起一個自發的時間箭頭來，並將它運用到量子宇宙學中去。 我們先不去管DH，如果仔細考慮坍縮，還會出現一個奇怪現象：假如我們一直觀察系統，那麼它的波函數必然總是在坍縮，薛定諤波函數從來就沒有機會去發展和演化。這樣，它必定一直停留在初始狀態，看上去的效果相當於時間停滯了。也就是說，只要我們不停地觀察，波函數就不演化，時間就會不動！這個佯謬叫做量子芝諾效應（quantum Zeno effect），我們在前面已經討論過了芝諾的一個悖論，也就是阿喀琉斯追烏龜，他另有一個悖論是說，一支在空中飛行的箭，其實是不動的。為什麼呢？因為在每一個瞬間，我們拍一張snapshot，那麼這支箭在那一刻必定是不動的，所以一支飛行的箭，它等於千千萬萬個不動的組合。問題是，每一個瞬間它都不動，連起來怎麼可能變成動呢？所以飛行的箭必定是不動的！在我們的實驗裡也是一樣，每一刻波函數（因為觀察）都不發展，那麼連在一起它怎麼可能發展呢？所以它必定永不發展！ 從哲學角度來說我們可以對芝諾進行精采的分析，比如恩格斯漂亮地反駁說，每一刻的箭都處在不動與動的矛盾中，而真實的運動恰好是這種矛盾本身！不過我們不在意哲學探討，只在乎實驗證據。已經有相當多的實驗證實，當觀測頻繁到一定程度時，量子體系的確表現出芝諾效應。這是不是說，如果我們一直盯著薛定諤的貓看，則它永遠也不會死去呢？ 時間的方向是一個饒有趣味的話題，它很可能牽涉到深刻的物理定律，比如對稱性破缺的問題。在極早期宇宙的研究中，為了徹底弄明白時間之矢如何產生，我們也迫切需要一個好的量子引力理論，在後面我們會更詳細地講到這一點。我們只能向著未來，而不是過去前進，這的確是我們神奇的宇宙最不可思議的方面之一。 三 好了各位，到此為止，我們在量子世界的旅途已經接近尾聲。我們已經流覽了絕大多數重要的風景點，探索了大部分先人走過的道路。但是，正如我們已經強烈地感受到的那樣，對於每一條道路來說，雖然一路上都是峰迴路轉，奇境疊出，但越到後來卻都變得那樣地崎嶇不平，難以前進。雖說入之愈深，其進愈難，而其見愈奇，但精神和體力上的巨大疲憊到底打擊了我們的信心，阻止了我們在任何一條道上頑強地衝向終點。 當一次又一次地從不同的道路上徒勞而返之後，我們突然發現，自己已經處在一個巨大的迷宮中央。在我們的身邊，曲折的道路如同蛛網一般地輻射開來，每一條都通向一個幽深的不可捉摸的未來。我已經帶領大家去探討了哥本哈根、多宇宙、隱變數、系綜、GRW、退相干歷史等六條道路，但要告訴各位的是，仍然還有非常多的偏僻的小道，我們並沒有提及。比如有人認為當進行了一次觀測之後，宇宙沒有分裂，只有我們大腦的狀態（或者說精神）分裂了！這稱為多精神解釋（many-minds intepretation），它名副其實地算得上一種精神分裂症！還有人認為，在量子層面上我們必須放棄通常的邏輯（布林邏輯），而改用一種量子邏輯來陳述！另一些人不那麼激烈，他們覺得不必放棄通常的邏輯，但是通常的概率概念則必須修改，我們必須引入複的概率，也就是說概率並不是通常的0到1，而是必須描述為複數！華盛頓大學的物理學家克拉默（John G Cramer）建立了一種非定域的交易模型（The transactional model），而他在牛津的同行彭羅斯則認為波函數的縮減和引力有關。彭羅斯宣稱只要空間的曲率大於一個引力子的尺度，量子線性疊加規則就將失效，這裡面還牽涉到量子引力的複雜情況諸如物質在跌入黑洞時如何損失了資訊等等，諸如此類。即便是我們已經描述過的那些解釋，我們的史話所做的也只是掛一漏萬，只能給各位提供一點最基本的概念。事實上，每一種解釋都已經衍生出無數個變種，它們打著各自的旗號，都在不遺餘力地向世人推銷自己，這已經把我們搞得頭暈腦脹，不知所措了。現在，我們就像是被困在克里特島迷宮中的那位忒修斯（Theseus），還在茫然而不停地摸索，苦苦等待著阿里阿德涅（Ariadne）我們那位可愛的女郎把那個指引方向，命運攸關的線團扔到我們手中。 一九九七年，在馬里蘭大學巴爾的摩郡分校（UMBC）召開了一次關於量子力學的研討會。有人在與會者中間做了一次問卷調查，統計究竟他們相信哪一種關於量子論的解釋。結果是這樣的：哥本哈根解釋十三票，多宇宙八票，玻姆的隱變數四票，退相干歷史四票，自發定域理論（如GRW）一票，還有十八票都是說還沒有想好，或者是相信上述之外的某種解釋。到了一九九九年，在劍橋牛頓研究所舉行的一次量子計算會議上，又作了一次類似的調查，這次哥本哈根四票，修訂過的運動學理論（它們對薛定諤方程進行修正，比如GRW）四票，玻姆二票，而多世界（MWI）和多歷史（DH）加起來（它們都屬於那種認為沒有坍縮存在的理論）得到了令人驚奇的三十票。但更加令人驚奇的是，竟然有五十票之多承認自己尚無法作出抉擇。在宇宙學家和量子引力專家中，MWI受歡迎的程度要高一些，據統計有五十八％的人認為多世界是正確的理論，而只有十八％明確地認為它不正確。但其實許多人對於各種解釋究竟說了什麼是搞不太清楚的，比如人們往往弄不明白多世界和多歷史到底差別在哪裡，或許，它們本來就沒有明確的分界線。就算是相信哥本哈根的人，他們互相之間也會發生嚴重的分歧，甚至關於它到底是不是一個決定論的解釋也會造成爭吵。量子論仍然處在一個戰國紛爭的時代，玻爾，海森堡，愛因斯坦，薛定諤他們的背影雖然已經離我們遠去，但他們當年曾戰鬥過的這片戰場上仍然硝煙彌漫，他們不同的信念仍然支撐著新一代的物理學家，激勵著人們為了那個神聖的目標而繼續奮戰。 想想也真是諷刺，量子力學作為二十世紀物理史上最重要的成就之一，到今天為止它的基本數學形式已經被創立了將近整整八十年。它在每一個領域內都取得了巨大的成功，以致和相對論一起成為了支撐物理學的兩大支柱。八十年！任何一種事物如果經歷了這樣一段漫長時間的考驗後仍然屹立不倒，這已經足夠把它變成不朽的經典。歲月將把它磨礪成一個完美的成熟的體系，留給人們的只剩下深深的崇敬和無限的唏噓，慨歎自己為何不能生於亂世，提三尺劍立不世功名，參與到這個偉大工作中去。但量子論是如此地與眾不同，即使在它被創立了八十年之後，它仍然沒有被最後完成！人們仍在為了它而爭吵不休，為如何解釋它而鬧得焦頭爛額，這在物理史上可是前所未有的事情！想想牛頓力學，想想相對論，從來沒有人為了如何解釋它們而操心過，對比之下，這更加凸現出量子論那獨一無二的神秘氣質。 人們的確有理由感到奇怪，為什麼在如此漫長的歲月過去之後，我們不但沒有對量子論瞭解得更清楚，反而越來越感覺到它的奇特和不可思議。最傑出的量子論專家們各執一詞，人人都聲稱只有他的理解才是正確的，而別人都錯了。量子謎題已經成為物理學中一個最神秘和不可捉摸的部位，Zeilinger有一次說：我做實驗的唯一目的，就是給別的物理學家看看，量子論究竟有多奇怪。到目前為止，我們手裡已經攥下了超過一打的所謂解釋，而且它的數目仍然有望不斷地增加。很明顯，在這些花樣繁多的提議中間，除了一種以外，絕大多數都是錯誤的。甚至很可能，到目前為止所有的解釋都是錯誤的，但這卻並沒有妨礙物理學家們把它們創造出來！我們只能說，物理學家的想像力和創造力是非凡的，但這也引起了我們深深的憂慮：到底在多大程度上，物理理論如同人們所驕傲地宣稱的那樣，是對於大自然的深刻發現，而不屬於物理學家們傑出的智力發明？ 但從另外一方面看，我們對於量子論本身的確是沒有什麼好挑剔的。它的成功是如此巨大，以致於我們除了咋舌之外，根本就來不及對它的奇特之處有過多的評頭論足。從它被創立之初，它就挾著雷霆萬鈞的力量橫掃整個物理學，把每個角落都塑造得煥然一新。或許就像狄更斯說的那樣，這是最壞的時代，但也是最好的時代。 量子論的基本形式只是一個大的框架，它描述了單個粒子如何運動。但要描述在高能情況下，多粒子之間的相互作用時，我們就必定要涉及到場的作用，這就需要如同當年普朗克把能量成功地量子化一樣，把麥克斯韋的電磁場也進行大刀闊斧的量子化建立量子場論（quantum field theory）。這個過程是一個同樣令人激動的宏偉故事，如果鋪展開來敘述，勢必又是一篇規模龐大的史話，因此我們只是在這裡極簡單地作一些描述。這一工作由狄拉克開始，經由約爾當、海森堡、泡利和維格納的發展，很快人們就認識到：原來所有粒子都是彌漫在空間中的某種場，這些場有著不同的能量形態，而當能量最低時，這就是我們通常說的真空。因此真空其實只不過是粒子的一種不同形態（基態）而已，任何粒子都可以從中被創造出來，也可以互相湮滅。狄拉克的方程預言了所謂的反物質的存在，任何受過足夠科普薰陶的讀者對此都應該耳熟能詳：比如一個正常的氫原子由帶正電的質子和帶負電的電子組成，但在一個反氫原子中，質子卻帶著負電，而電子帶著正電！當一個原子和一個反原子相遇，它們就轟隆一聲放出大量的能量輻射，然後雙方同時消失得無影無蹤，其關係就符合二十世紀最有名的那個物理方程：E＝mc^2！ 最早的反電子由加州理工的安德森（Carl Anderson）於一九三二年在研究宇宙射線的時候發現。它的意義是如此重要，以致於僅僅過了四年，諾貝爾獎評委會就罕見地授予他這一科學界的最高榮譽。 但是，雖然關於輻射場的量子化理論在某些問題上是成功的，但麻煩很快就到來了。一九四七年，在《物理評論》上刊登了有關蘭姆移位和電子磁矩的實驗結果，這和現有的理論發生了微小的偏差，於是人們決定利用微擾辦法來重新計算準確的值。但是，算來算去，人們驚奇地發現，當他們想盡可能地追求準確，而加入所有的微擾項之後，最後的結果卻適得其反，它總是發散為無窮大！ 這可真是讓人沮喪的結果，理論算出了無窮大，總歸是一件荒謬的事情。為了消除這個無窮大，無數的物理學家們進行了艱苦卓絕，不屈不撓的鬥爭。這個陰影是如此難以驅散，如附骨之蛆一般地叫人頭痛，以至於在一段時間裡把物理學變成了一個讓人無比厭憎的學科。最後的解決方案是日本物理學家朝永振一郎、美國人施溫格（Julian S Schwiger）和戴森（Freeman Dyson），還有那位傳奇的費因曼所分別獨立完成的，被稱為重正化（renormalization）方法，具體的技術細節我們就不用理會了。雖然認為重正化牽強而不令人信服的科學家大有人在，但是採用這種手段把無窮大從理論中趕走之後，剩下的結果其準確程度令人吃驚得瞠目結舌：處理電子的量子電動力學（QED）在經過重正化的修正之後，在電子磁距的計算中竟然一直與實驗值符合到小數點之後第十一位！亙古以來都沒有哪個理論能夠做到這樣教人咋舌的事情。 實際上，量子電動力學常常被稱作人類有史以來最為精確的物理理論，如果不是實驗值經過反覆測算，這樣高精度的資料實在是讓人懷疑是不是存心偽造的。但巨大的勝利使得一切懷疑都最終迎刃而解，QED也最終作為量子場論一個最為悠久和成功的分支而為人們熟知。雖然最近彭羅斯聲稱說，由於對赫爾斯-泰勒脈衝星系統的觀測已經積累起了如此確鑿的關於引力波存在的證明，這實際上使得廣義相對論的精確度已經和實驗吻合到十的負十四次方，因此超越了QED（赫爾斯和泰勒獲得了一九九三年諾貝爾物理獎）。但無論如何，量子場論的成功是無人可以否認的。朝永振一郎，施溫格和費因曼也分享了一九六五年的諾貝爾物理獎。 拋開量子場論的勝利不談，量子論在物理界的幾乎每一個角落都激起激動人心的浪花，引發一連串美麗的漣漪。它深入固體物理之中，使我們對於固體機械和熱性質的認識產生了翻天覆地的變化，更打開了通向凝聚態物理這一嶄新世界的大門。在它的指引下，我們才真正認識了電流的傳導，使得對於半導體的研究成為可能，而最終帶領我們走向微電子學的建立。它駕臨分子物理領域，成功地解釋了化學鍵和軌道雜化，從而開創了量子化學學科。如今我們關於化學的幾乎一切知識，都建立在這個基礎之上。而材料科學在插上了量子論的雙翼之後，才真正展翅飛翔起來，開始深刻地影響社會的方方面面。在量子論的指引之下，我們認識了超導和超流，我們掌握了雷射技術，我們造出了電晶體和積體電路，為一整個新時代的來臨真正做好了準備。量子論讓我們得以一探原子內部那最為精細的奧秘，我們不但更加深刻地理解了電子和原子核之間的作用和關係，還進一步拆開原子核，領略到了大自然那更為令人驚歎的神奇。在浩瀚的星空之中，我們必須借助量子論才能把握恒星的命運會何去何從：當它們的燃料耗盡之後，它們會不可避免地向內坍縮，這時支撐起它們最後骨架的就是源自泡利不相容原理的一種簡並壓力。當電子簡並壓力足夠抵擋坍縮時，恒星就演化為白矮星。要是電子被征服，而要靠中子出來抵抗時，恒星就變為中子星。最後，如果一切防線都被突破，那麼它就不可避免地坍縮成一個黑洞。但即使黑洞也不是完全黑的，如果充分考慮量子不確定因素的影響，黑洞其實也會產生輻射而逐漸消失，這就是以其鼎鼎大名的發現者史蒂芬．霍金而命名的霍金蒸發過程。 當物質落入黑洞的時候，它所包含的資訊被完全吞噬了。因為按照定義，沒什麼能再從黑洞中逃出來，所以這些資訊其實是永久地喪失了。這樣一來，我們的決定論再一次遭到毀滅性的打擊：現在，即使是預測概率的薛定諤波函數本身，我們都無法確定地預測！因為宇宙波函數需要掌握所有物質的資訊，而這些資訊卻不斷地被黑洞所吞沒。霍金對此說了一句同樣有名的話：上帝不但擲骰子，他還把骰子擲到我們看不見的地方去！這個看不見的地方就是黑洞奇點。不過由於蒸發過程的發現，黑洞是否在蒸發後又把這些資訊重新吐出來呢？在這點上人們依舊爭論不休，它關係到我們的宇宙和骰子之間那深刻的內在關係。 最後，很有可能，我們對於宇宙終極命運的理解也離不開量子論。大爆炸的最初發生了什麼？是否存在奇點？在奇點處物理定律是否失效？因為在宇宙極早期，引力場是如此之強，以致量子效應不能忽略，我們必須採取有效的量子引力方法來處理。在採用了費因曼的路徑積分手段之後，哈特爾（就是提出DH的那個）和霍金提出了著名的無邊界假設：宇宙的起點並沒有一個明確的邊界，時間並不是一條從一點開始的射線，相反，它是複數的！時間就像我們地球的表面，並沒有一個地方可以稱之為起點。為了更好地理解這些問題，我們迫切地需要全新的量子宇宙學，需要量子論和相對論進一步強強聯手，在史話的後面我們還會講到這個事情。 量子論的出現徹底改變了世界的面貌，它比史上任何一種理論都引發了更多的技術革命。核能、電腦技術、新材料、能源技術、資訊技術這些都在根本上和量子論密切相關。牽強一點說，如果沒有足夠的關於弱相互作用力和晶體衍射的知識，DNA的雙螺旋結構也就不會被發現，分子生物學也就無法建立，也就沒有如今這般火熱的生物技術革命。再牽強一點說，沒有量子力學，也就沒有歐洲粒子物理中心（CERN），而沒有CERN，也就沒有互聯網的www服務，更沒有劃時代的網路革命，各位也就很可能看不到我們的史話，呵呵。 如果要評選二十世紀最為深刻地影響了人類社會的事件，那麼可以毫不誇張地說，這既不是兩次世界大戰，也不是共產主義運動的興衰，也不是聯合國的成立，或者女權運動，殖民主義的沒落，人類探索太空等等。它應該被授予量子力學及其相關理論的創立和發展。量子論深入我們生活的每一個角落，它的影響無處不在，觸手可得。許多人喜歡比較二十世紀齊名的兩大物理發現相對論和量子論究竟誰更偉大，從一個普遍的意義上來說這樣的比較是毫無意義的，所謂偉大往往不具有可比性，正如人們無聊地爭論李白還是杜甫，莫札特還是貝多芬，漢朝還是羅馬，貝利還是馬拉多納，Beatles還是滾石，阿甘還是肖申克但僅僅從實用性的角度而言，我們可以毫不猶豫地下結論說：是的，量子論比相對論更加有用。 也許我們仍然不能從哲學意義上去真正理解量子論，但它的進步意義依舊無可限量。雖然我們有時候還會偶爾懷念經典時代，懷念那些因果關係一絲不苟，宇宙的本質簡單易懂的日子，但這也已經更多地是一種懷舊情緒而已。正如電影《亂世佳人》的開頭不無深情地說：曾經有一片屬於騎士和棉花園的土地叫做老南方。在這個美麗的世界裡，紳士們最後一次風度翩翩地行禮，騎士們最後一次和漂亮的女伴們同行，人們最後一次見到主人和他們的奴隸。而如今這已經是一個只能從書本中去尋找的舊夢，一個隨風飄逝的文明。雖然有這樣的傷感，但人們依然還是會歌頌北方揚基們最後的勝利，因為我們從他們那裡得到更大的力量，更多的熱情，還有對於未來更執著的信心。 四 但量子論的道路仍未走到盡頭，雖然它已經負擔了太多的光榮和疑惑，但命運仍然註定了它要繼續影響物理學的將來。在經歷了無數的風雨之後，這一次，它面對的是一個前所未有強大的對手，也是最後的終極挑戰廣義相對論。 標準的薛定諤方程是非相對論化的，在它之中並沒有考慮到光速的上限。而這一工作最終由狄拉克完成，最後完成的量子場論實際上是量子力學和狹義相對論的聯合產物。當我們僅僅考慮電磁場的時候，我們得到的是量子電動力學，它可以處理電磁力的作用。大家在中學裡都知道電磁力：同性相斥，異性相吸，量子電動力學認為，這個力的本質是兩個粒子之間不停地交換光子的結果。兩個電子互相靠近並最終因為電磁力而彈開，這其中發生了什麼呢？原來兩個電子不停地在交換光子。想像兩個溜冰場上的人，他們不停地把一隻皮球拋來拋去，從一個人的手中扔到另一個人那裡，這樣一來他們必定離得越來越遠，似乎他們之間有一種斥力一樣。在電磁作用力中，這個皮球就是光子！那麼同性相吸是怎麼回事呢？你可以想像成兩個人背靠背站立，並不停地把球扔到對方面對的牆壁上再反彈到對方手裡。這樣就似乎有一種吸力使兩人緊緊靠在一起。 但是，當處理到原子核內部的事務時，我們面對的就不再是電磁作用力了！比如說一個氦原子核，它由兩個質子和兩個中子組成。中子不帶電，倒也沒有什麼，可兩個質子卻都帶著正電！如果說同性相斥，那麼它們應該互相彈開，而怎麼可能保持在一起呢？這顯然不是萬有引力互相吸引的結果，在如此小的質子之間，引力微弱得基本可以忽略不計，必定有一種更為強大的核力，比電磁力更強大，才可以把它們拉在一起不致分開。這種力叫做強相互作用力。 聰明的各位也許已經猜到了，既然有強相互作用力，必定相對地還有一種弱相互作用力，事實正是如此。弱作用力就是造成許多不穩定的粒子衰變的原因。這樣一來，我們的宇宙中就總共有著四種相互作用力：引力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力。它們各自為政，互不管轄，遵守著不同的理論規則。 但所有這些力的本質是什麼呢？是不是也如同電磁力那樣，是因為交換粒子而形成的？日本物理學家湯川秀樹他或許是日本最著名的科學家預言如此。在強相互作用力中，湯川認為這是因為核子交換一種新粒子介子（meson）而形成的。他所預言的介子不久就為安德森等人所發現，不過那卻是一種不同的介子，現在稱為μ子，它和湯川理論無關。湯川所預言的那種介子現在稱為π子，它最終在一九四七年為英國人鮑威爾（Cecil Frank Powell）在研究宇宙射線時所發現。湯川獲得了一九四九年的諾貝爾物理獎，而鮑威爾獲得了一九五○年的。對於強相互作用力的研究仍在繼續，人們把那些感受強相互作用力的核子稱為強子，比如質子、中子等。一九六四年，我們的蓋爾曼提出，所有的強子都可以進一步分割，這就是如今家喻戶曉的誇克模型。每個質子或中子都由三個誇克組成，每種誇克既有不同的味道，更有不同的顏色，在此基礎上人們發明了所謂的量子色動力學（QCD），來描述。誇克之間同樣通過交換粒子來維持作用力，這種被交換的粒子稱為膠子（gluon）。各位也許已經有些頭暈腦脹，我們就不進一步描述了。再說詳細描述基本粒子的模型需要太多的筆墨，引進太多的概念，但我們的史話所留下的篇幅已經不多，所以只能這樣簡單地一筆帶過。如果想更好地瞭解有關知識，蓋爾曼曾寫過一本通俗的讀物《誇克與美洲豹》，而偉大的阿西莫夫（Isaac Asimov）則有更多精采的論述，雖然時代已經不同，但許多作品卻仍然並不過時！ 強相互作用是交換介子，那麼弱相互作用呢？湯川秀樹同樣預言它必定也交換某種粒子，這種粒子被稱為中間玻色子。與強作用力所不同的是，弱相互作用力的理論形式看上去同電磁作用力非常相似，這使得人們開始懷疑，這兩種力實際上是不是就是同一種東西，只不過在不同的環境中表現得不盡相同而已？特別是當李政道與楊振寧提出了弱作用下宇稱不守恆之後，這一懷疑愈加強烈。終於到了六十年代，統一弱相互作用力和電磁力的工作由美國人格拉肖（Sheldon Glashow）、溫伯格（Steven Weinberg）和巴基斯坦人薩拉姆（Aldus Salam）所完成，他們的成果被稱為弱電統一理論，三人最終為此得到了一九七九年的諾貝爾獎。該理論所預言的三種中間