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潜藏的宇宙：量子世界与时空的涌现 │ 尚・卡罗 │ 大石 │ 9786269762156

Name: 潛藏的宇宙：量子世界與時空的湧現 │ 尚・卡羅 │ 大石 │ 9786269762156
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当代最活跃的理论物理学家之一尚・卡罗，在本书中集中火力，畅谈被物理学界视为「不够严肃」的量子力学基础研究，以无碍的思路与生花妙笔，描绘出量子宇宙观的完整图像，并大声而谨慎地宣告，多重宇宙论中的多世界诠释，是已知对于现实最深刻、最全面的理解：

　　「量子力学并非只是真理的一个近似值，它就是真理本身。」

　　￭你在读这段文字的时候，就有好几个副本的你被创造出来。

　　本书作者尚・卡罗是知名理论物理学家，也是全世界最受赞誉的科学健笔之一，在着作中重新书写了20世纪的物理学史。《潜藏的宇宙》已被誉为杰作，这本书第一次描写了与量子力学基本谜题的正面交锋，如何彻底扭转我们对空间和时间的思考方式。他调和量子力学与爱因斯坦相对论的方式，基本上改变了一切。

　　物理学从1927年开始就陷入危机，但大多数物理学家并未认清这个难堪的事实。量子力学一直有很明显的裂缝，都被无视了。科普界总是告诉我们它有多怪异，多么不可能懂：学术界则对有志研究量子基础的学生泼冷水，说这是「死胡同」。卡罗赌上了他的专业信誉，写下这本立论大胆却完全合乎逻辑的书，他在书中表示，这个危机现在可以解除了，只是必须接受宇宙中不是只有一个我们。有很多很多个尚・卡罗，很多很多个你和我。

　　你的副本每秒钟会生成好几千次。量子行为的多世界理论主张，每次发生量子事件，世界连同其中的一切就会跟着分裂，除了没有发生该量子事件的世界之外。卡罗用独特的清晰口吻，把反对这项揭示的意见逐一解决，使他的论述最终无可避免必须成立。

　　关于我们如何思考自身在宇宙中的位置，很难得有一本书如此全面地重新加以整理。一个看待宇宙和万物本质的全新理解，已经呼之欲出。

　　￭本书内容分为三个部分：

　　第一部聚焦在说明测量问题、波函数的机率蕴含，与薛丁格方程式－－请放心，没有要算给你看，作者最看不惯的就是「闭嘴，去计算」学派－－只是要让你知道多世界诠释是怎么来的，还有为什么这是目前对宇宙最精准的描述。

　　第二部，瞄准多世界诠释的宇宙，邀请你这个观察者一起进入其中，成为和「宇宙波函数」水乳交融的一部分，这里没有古典力学，没有哥本哈根式的崩陷（或译为塌缩）这个牵强的解释。对于量子力学最容易引起投射的一点：意识或自由意志，也细细剖析了一番。

　　第三部，带我们回到无垠的疆界中看时空的「涌现」，会用这个看起来很潮的名词是有道理的，提醒我们必须抗拒「眼见为真」的想法，才能认识到重力的本质，以及一切的可能性都是持续存在，导致多世界是目前最简洁的、可能最接近「真相」的物理描述。

各界推荐

　　《潜藏的宇宙》各界赞誉

　　「本书是对量子力学这项可能是人类最伟大的智慧成就所做的精采导览。卡罗以大胆又清晰的文字，巧妙地揭开量子的诡异性，让我们看见一个奇特但绝对美妙的实在界。」－－布莱恩・葛林（Brian Greene），物理学与数学教授，哥伦比亚理论物理中心主任，《优雅的宇宙》作者

　　「尚・卡罗这本读起来无比过瘾的《潜藏的宇宙》，要读者直面量子诡异性这个宇宙的基本特性－－不知道说宇宙对不对？读到最后，你可能会发现量子诡异性好像没那么诡异了。」－－乔丹・艾伦伯格（Jordan Ellenberg），威斯康辛大学数学教授，《数学教你不犯错》作者

　　「尚・卡罗的书永远头脑清楚，风趣幽默，可读性极高，同时谈得很深。他提倡应该接受量子力学的最极简版本，诉诸纯粹性的吸引力。结果就是全面摧毁我们对现实的传统认识，以支持十分超现实的多世界观点。他把我们拉进一个单一现实与一个多重现实之间的战场，感觉几乎已经不在人类的理解范围内。他带我们看见概念、哲学，与革命的出现。是一本迷人而重要的书。」－－珍娜・列文（Janna Levin），哥伦比亚大学巴纳德学院物理学与天文学教授，《黑洞蓝调》作者

　　「尚・卡罗漂亮地厘清了有关量子力学基础的争论，并捍卫最优雅、最勇敢的作法：多世界诠释。他对多世界诠释的优缺点提出了明晰、公正，在哲学层面上令人瞠目结舌的解释。」－－史蒂芬・斯托盖兹（Steven Strogatz），康乃尔大学数学教授，《无限的力量》作者

　　「卡罗让我们坐在前排座位上，看着物理学一个新视野如何发展成形，把我们的日常经验连结到一个如镜厅般令人头晕目眩的宇宙，连我们的自我感觉都受到挑战。这是非常吸引人的想法，通往潜藏的实在界的线索可能就在其中。」凯蒂・麦克（Katie Mack），北卡罗来纳州立大学理论天文物理学家，《万物的终结》（The End of Everything）作者

　　「看到这么多基本问题被解释得前所未有地好，我简直感动到掉眼泪。《潜藏的宇宙》是杰作，和费曼的量子电动力学（QED）并列我见过最好的两本量子力学科普着作，但如果把QED归类到不同的目标，那这本书就是我看过最好的量子力学科普着作，没别的了。」－－史考特・阿朗森（Scott Aaronson），德州大学奥斯丁分校电脑科学教授与量子资讯中心主任

　　「读起来津津有味，令人难以抗拒。一方面这是一本关于目前最深奥的物理学谜团的书，另一方面也和形上学有关，卡罗有条不紊地引导我们了解，如何在思考现实的真相和隐藏本质之外，找出其中的道理。我爱这本书。」－－普里亚姆瓦达・纳塔拉真（Priyamvada Natarajan），耶鲁大学理论天文物理学家，《宇宙新图景》（Mapping the Heavens）作者

　　「这本书介绍接二连三的精采概念，我认为非读不可。我花了很多时间思考多世界和缠结的蕴含，还有我们的实在界总是有无穷尽环环相扣的可能性这件事。真的让我大开眼界。你愈深入量子力学，它就愈要挑战你对一切保持开放的思想。」－－丹・舒曼（Dan Schulman），PayPal执行长

　　「卡罗的新书之所以值得一读，在于他虽然在这场辩论中明确选择了其中一边，但还是针对这个主题给了我们强大、清晰、深具说服力的指引，每一页都能感受到他对这些科学问题的热爱。」－－美国国家公共广播电台（NPR）

　　「这个宇宙（与别的宇宙？）的读者会很乐于有机会在科学巨擘的陪伴下探索这项科学的新境界。」－－《书单》杂志（Booklist）

　　「尼尔・迪格拉斯・泰森（Neil deGrasse Tyson）和约翰・葛瑞宾（John Gribbin）等科普作家的书迷一定会非常喜欢在这本书中探索这些开创性的概念。」－－《图书馆期刊》（Library Journal）

　　「深具挑战性与启发性的书……卡罗流畅地讲述各种主题，小到粒子，大到黑洞，读者能从他对量子理论的探索中，了解当今物理学中某些最开创性的观念。」－－《出版人周刊》（Publishers Weekly）

　　「如果你想知道为什么有些人会那么认真看待艾弗雷特表述，以及能用它来做什么，那么卡罗这本书正是市面上最棒的通俗读物之一。」－－《今日物理》（Physics Today），美国物理学会会刊

　　「卡罗的论证方式是好的那种急切，使这本书比其他太多量子力学书有趣得多。」－－《富比世》（Forbes）杂志

　　「本书是目前为止对多世界观点采取拥护立场者阐述得最清楚、最有力的长篇论述，与进行中的最新研究紧密结合。」－－《科学新闻》（Science News）杂志

　　「扎实的论据加上引人入胜的历史背景，绝对能掳获所有的理科脑。」－－《科学询问者》（Scientific Inquirer）网络杂志

作者介绍

作者简介

尚・卡罗（Sean Carroll）

　　理论物理学家，约翰霍普金斯大学荷母坞自然哲学教授，专长研究领域为宇宙学、重力、场论、量子力学、统计力学，和物理学基本理论。曾获多家机构颁授奖项，包括美国物理联合会（American Institute of Physics）颁发的安德鲁・格曼特奖（Andrew Gemant Prize）、伦敦皇家学会科学图书奖（Royal Society Prize for Science Books）、古根汉奖（Guggenheim Fellowship），以及美国航太总署、美国物理学会（American Physical Society）、国家科学基金会（National Science Foundation）的研究基金。着有《从永恒到现在》（From Eternity to Here）、《宇宙尽头的粒子》（The Particle at the End of the Universe）和《诗性的宇宙》（The Big Picture）等书。现与作家妻子珍妮芙．威雷特（Jennifer Ouellette）和两只猫住在洛杉矶，并主持每周上线的播客频道Mindscape。

译者简介

蔡坤宪

　　东海大学物理系毕，交通大学电子物理所硕士，曾担任逢甲大学光电学系暨物理教学研究中心讲师。目前旅居纽西兰，任教于汉弥尔顿市 St. John's College，《物理双月刊》纽西兰科学与物理教育点滴专栏作者。译有《霍金大见解》、《时空行者：史蒂芬．霍金》、《观念物理II》、《时间之幂》、《怎样解题》等书，着有《观念物理Ⅵ：习题解答》。

常云惠

　　中国文化大学中文系毕，纽西兰怀卡托大学运动休闲研究所学士后文凭。现于纽西兰中学任职，剑道教学与英文笔译为主要的业余兴趣。早期译作散见于1994至1996年的《世界地理杂志》，译有《观念物理I》、《看见心灵的角落》、《雷达英雄传》、《霍金——前妻回忆录》（以上二书与常云凤合译，天下文化出版），近年并参与《物理双月刊》部分文章的翻译和编译工作。

译者序

开场白：不要害怕

第一部

鬼魅

第一章这是怎么回事：放眼量子世界

第二章大胆的提案：简朴量子力学

第三章为什么会有人在想这个？：量子力学是怎么来的

第四章因为不存在，所以不可知：不确定性与互补性

第五章百转千回的缠结：多部分的波函数

第二部

分裂

第六章分裂宇宙：去相干与平行世界

第七章秩序与随机性：机率从何而来

第八章这个本体论承诺会让我显胖吗？关于量子谜题的苏格拉底式对话

第九章其他的方式：多世界以外的选项

第十章人性面：在量子宇宙中生活与思考

第三部

时空

第十一章为什么有空间？涌现与局域性

第十二章一个振动的世界：量子场论

第十三章在虚空中呼吸：在量子力学内寻找重力

第十四章超越时间与空间：全像、黑洞与局域性限制

结语：一切都是量子

附录：虚粒子的故事

谢志

延伸阅读

参考文献

看更多

序

译者序

「比科幻还要科幻」的科学

　　翻译这本书的过程对我而言，最初就像是「爱丽丝梦游仙境」一样，最后却促成了我个人的「典范转移」。

　　作者尚．卡罗（Sean Carroll）教授曾任教于加州理工学院，目前是圣塔非研究所（Santa Fe Institute）的外聘教授。他是着名的科普作家，在量子物理、科学哲学等领域，可谓着作等身。在台湾深受好评的畅销科普书籍《诗性的宇宙》（The Big Picture）就是他于 2016 年的作品。

《潜藏的宇宙》这本书分为三大部分。首先，他带着读者复习了「鬼魅」般的量子力学。作者从「上帝是否在掷骰子？」这个波耳与爱因斯坦的世纪辩论主题为起点，深入浅出地回顾了量子力学的基本观念。

　　依稀记得大学三年级初次接触量子力学的那个当下，对于它「离经叛道」的观念所感受到的困惑与震惊。这个「经」指的是经典、古典物理学的思维方式。当时若非教授的循循善诱，教会我们在面对「新物理」时，要先「接受」，不要试图从旧物理的思考逻辑来理解它的「心法」。恐怕我至今仍旧无法学会如何从薛丁格方程式求解波函数，以及这个带有虚数（根号负一）的波函数的物理意义。就这样，我逐渐接受了机率就是这个世界的本质，同意以波耳为首的哥本哈根学派所提出的「上帝是在掷骰子」的说法。然而，我仍旧无法理解为什么爱因斯坦无法接受这个想法，也一直对于像费曼这样聪明绝顶的人会认为「理解」量子力学是一件难事而感到纳闷。

　　看到本书作者把我之前学习量子力学的「心法」称做「闭嘴、计算」典范，以及所理解的内容称作「教科书量子力学」时，我的心态从吃惊、略带排斥，到慢慢接受作者的说法，乃至莞尔一笑之后开始跳出既有的框架，重新审视我先前理解过的量子力学内容。是而希望学过量子物理的读者也能和我一样，享受这个「温故知新」的思考过程。　　

　　本书的第二个部分是有点科幻性质的「多世界」图像。作者深入介绍了以艾弗雷特为首的「简朴量子力学」（austere quantum mechanics）。他透过本书提问，如果我们只有保留量子力学中最为基本的内容，也就是除了「薛丁格方程式和波函数」之外，移除其他与实验测量相关的人为设定，那么我们将会看到一个怎样的世界呢？答案是：原本因为测量而发生「崩陷」的波函数，会变成因测量而「分裂」出许多个分支，而这些分裂出来的波函数分支就是一个一个独立存在的「世界」！

　　换句话说，如果我们勇敢地正视量子力学的庐山真面目，也就是量子特有的缠结和去相干等现象，那么「多个世界」（波函数分支）就会是一个再自然不过的科学结论，而不是科幻电影里的情节。这当然不是三言两语就能说清楚的故事，所以我诚挚地邀请您跟着作者的思路，细细品味这个「比科幻还科幻」的科学推论过程，以及去思考由此而衍伸出来的许多人生议题。譬如说，你希望自己在另一个世界里的「分身」是啥模样？正在做什么？甚至，这些多出来的「世界」或分身是真实的存在吗？

　　作者在本书的第三个部分从介绍量子场论和广义相对论开始，借此来讨论量子重力的研究近况。

　　我们都知道，物理学家已经建立了大统一理论（Grand Unified Theory，缩写GUT），能够成功地统合弱力、强力和电磁力。如果可以把重力也整合进来，那么距离一个能够解释所有现象的万有理论（Theory of Everything，缩写ToE），也就是一步之遥而已。量子重力，很有可能就是这关键的一步。我们都知道这不是一件容易的事，但是我们也无法想像要跨过这最后的一步到底有多大的难度。

　　作者在这个部分先介绍了量子场论的基本思维，让读者不需要繁复的数学工具，就能掌握「把古典场量子化成量子场」的精髓，我们把电磁场量子化而得出光子就是一个很好的例子。但是，如果希望把重力场量子化而得出「重力子」，则是另一个不同层级的问题。因为广义相对论把重力视为一种时空弯曲的现象，而非牛顿所认为的那种存在于时空中的一个作用力。如果想把重力场量子化，等于是要把时间和空间量子化，这跟我们日常生活里的时间和空间是截然不同的概念。因此，我们到底要怎么理解「重力子」与时间和空间的关系呢？

　　北欧理论物理学研究所（NORDITA）王元君研究员2015年12月在台大应力所主讲的「黑洞与量子力学：从霍京辐射到火墙悖论」中，用了一个很好的比喻：人类原来的习惯是找好了球场，再约球员们来打球，但是当球场地板也要一起打球时，自然是令人不知所措。

　　作者借助量子场论里的真空状态，以及近年来观测到的黑洞和大霹雳等现象，舍弃传统「先古典，再量子」的方式，直接从量子的观点（缠结、去相干）出发，佐以其他物理、科学和数学的基本观念（熵、涌现等），针对我们习以为常的「时间」和「空间」深入剖析，借此探讨「古典世界如何从波函数的分支产生出来」的议题，以帮助读者了解发展量子重力理论所遭遇到的困难，以及可能有的解决方向，例如弦论、回圈量子重力和重力的熵假说等等。

　　量子和重力的统一工作，目前尚未完成，也没有人能够预先知道解答。然而，与未知共存就是理论物理或科学前沿研究者日常生活的一部分。

　　如果你也喜欢追根究底，探索宇宙最深层的真实，那么你一定会喜欢本书作者透过其洗炼的文笔、生动的比喻所阐述的物理观念，欢迎你跟随着他一起思考、审视，并享受那种「脑洞大开」的感觉。

自序

开场白

不要害怕

　　你不需要是理论物理学博士，才来害怕量子力学。但是有这个学位也没差。

　　这似乎有些奇怪。量子力学是我们在微观的世界里的最佳理论。它描述了原子和粒子如何透过自然力而产生交互作用，并能极其精确的预测出实验结果。可以肯定的是，量子力学以其困难、神秘而着称，但这正是它引人入胜的一面。相较于其他人，专业物理学家应该是比较容易接受这种理论的一群人。因为他们经常进行与量子力学相关的复杂计算，甚至建造巨大的机器和实验室来测试理论预测的结果。我们总不是说物理学家一直在装懂吧？

　　他们虽然不是在装懂，但对自己的确也不完全诚实。就某方面而言，量子力学是近代物理学的心与灵。天文物理学家、粒子物理学家、原子物理学家、雷射物理学家－－这些人经常用到量子力学，而且得心应手。量子力学不只是一个艰涩难解的研究题材，而是已经大量充斥在现代技术中。半导体、电晶体、晶片、雷射，还有电脑里的内存，全都仰赖量子力学才能运作。顺着这个思路而言，如果我们想要理解这个世界最基本的面貌，量子力学绝对是不可或缺的工具。基本上，所有的化学现象都只是量子力学的应用而已。想知道太阳如何发光，桌子为什么是硬的，你都需要量子力学。

　　想像你把眼睛闭上，眼前应该会是漆黑一片。你可能认为这个想法很合理，因为没有光线进到眼睛里。然而事实并非如此，因为波长较可见光长的红外线，仍源源不断地从温暖的物体发射出来，这也包括了你自己的身体。如果我们的眼睛对红外线的敏感度如同对可见光那样，那么即使闭上眼睛，我们也会被自己眼球发射出来的红外线给弄瞎。所幸，掌管视觉的视杆和视锥细胞只对可见光有反应，对红外线则否。这是如何办到的？答案终归还是需要量子力学来提供。

　　量子力学不是魔术，而是我们已知对于现实最深刻、最全面的理解。就我们目前所知道的，量子力学并非只是真理的一个近似值，它就是真理本身。这个说法会因为将来是否出现意外的实验结果而随时改变，但到目前为止，我们还没有看到任何会出现这种意外的迹象。20世纪初，许多着名的物理学家如普朗克（Planck）、爱因斯坦（Einstein）、波耳（Bohr）、海森堡（Heisenberg）、薛丁格（Schrödinger）与狄拉克（Dirac）等，陆续投身量子力学的研究，到了1927年已经发展出一套成熟的理论，这无疑是人类历史上最伟大的一个智性成就。无论从什么角度来看都值得我们骄傲。

　　另一方面，用费曼（Richard Feynman）那句让人难忘的话来说：「我想，我能够肯定地说，没有人真的懂量子力学。」我们使用量子力学来设计新技术，并预测实验结果。但是，诚实的物理学家会承认，我们并不真的懂量子力学。我们有一套十拿九稳的配方可以套用在特定的条件下，得到令人难以置信的精准预测结果，而且全都能透过实验数据加以证实。但是，如果你想要进一步探问背后的原理是什么，我们根本就不知道答案。物理学家倾向把量子力学视为没有意识的机器人，只需要它执行特定任务就行了，而不会像家人那样去关心它。

　　这种专业人士之间的态度，影响了量子力学被呈现在世人眼前的方式。我们希望能够完整表达出自然的样貌，但是目前还办不到，因为物理学家对量子力学真正陈述的内容还没有共识。反之，一般大众看待量子力学时却倾向于强调它的神秘、费解与不可知。这样的讯息违背了科学所代表的基本原则，其中包括一个重要观点，那就是这个世界基本上是可理解的。我们谈到量子力学时，就会出现某种心理障碍，所以可能需要一点「量子疗法」来帮助我们度过这个难关。

　　。。。

　　我们教学生量子力学的时候，他们学到的是一张列满了规则的清单。其中有些规则是一般熟悉的类型：量子系统的数学描述，以及这些系统如何随着时间推移而演变的说明。但是，另外还有一大堆额外的规则，却是完全无法从其他的物理理论找到相对应的类比关系。这些额外的规则告诉我们在观察一个量子系统时会发生什么事，然而当我们没有在观察时，该系统的行为则截然不同。这到底是怎么一回事？

　　这基本上有两个选项。首先，我们告诉学生的是一个非常不完整的故事。而且，为了使量子力学能成为一个合格的理论，我们需要去了解什么是「测量」或「观察」，以及为什么系统的行为会因此而产生如此大的差异。另一个选项是，量子力学代表对过去一向以来认为的物理学观念的一大背离，从认为世界是一个独立客观的存在、与我们如何去认识它无关，转而认为观察本身在某种程度上就是实在界（reality）的基础。

　　无论是哪种选项，教科书都应该花时间好好探索，并承认即使量子力学已经非常成功，仍不能宣称已经发展完备。然而，他们并未这么做。在大多数情况下，他们默默地忽略了这个问题，宁愿留在物理学家的舒适圈里，写下一道道的方程式让学生忙于求解。

　　这不仅令人难堪，而且情况愈来愈严重。

　　鉴于上述情况，你可能会认为，进一步追求对量子力学的理解，应该成为所有物理学研究唯一的重大目标。应该会有数百万美元的补助款流向基础量子力学的研究，绝顶聪明的人才也会蜂涌而至，而且提出最重要见解的人应该会赢得奖励和声望。各大学应该会祭出重金，争相礼聘这个领域的翘楚。

　　可惜的是，没有。厘清量子力学的奥义，在近代物理学中不但不是什么崇高的专长，在很多地方连被尊重都谈不上，甚至还会被贬低。大多数的物理系都没有人在研究这个问题，少数毅然投入这个领域的人则是受到质疑的眼光。（最近我在写研究计画申请经费时，有人建议我只要描述我在重力和宇宙学方面的研究就好，因为这些是被认可的领域。最好不要提到我在做的量子力学基础研究，会让我显得不够严肃。）这个领域在过去的90年来还是有一些重要进展，只不过促成这些发展的，都是些一意孤行的人，不管同事怎么劝，反正他们就是觉得这个问题很重要，再不然就是一些涉世未深、后来完全离开这个领域的初生之犊。

　　伊索寓言里有一则故事，说一只狐狸看到一串饱满多汁的葡萄，纵身跳了几次想要构到它，却总是跳的不够高。狐狸在沮丧之余宣称，这些葡萄大概是酸的，牠本来就没什么兴趣。这只狐狸就代表「物理学家」，而葡萄则是「弄懂量子力学」。很多研究人员已经认定，了解大自然如何运作从来就不是真正重要的事；有预测特定现象的能力才重要。

　　科学的训练让科学家只重视看得到的成果，无论是振奋人心的实验数据，还是定量的理论模型。进一步研究既有理论的想法已经很难被接受，更何况下这些功夫可能创造不出任何具体的新科技或是预测。电视剧《火线重案组》（ The Wire）的剧情就是在描写这个潜在的紧张关系，剧中一群勤奋的警探，为了起诉一个大型贩毒集团苦熬了几个月，仔细收集犯罪证据，同时上级则对这些多余的举措感到不耐，他们要的只是下一次记者会上有查获的毒品可以摆在桌上就好，因而鼓励警察穷追猛打，进行大张旗鼓的搜捕行动。科研资金的赞助机构以及招聘委员会就像剧中的上级一样，这个世界所有的奖励制度都迫使我们追求具体、可量化的结果，因此我们竞相迈向下一个迫在眉睫的目标时，自然会忽略较不紧急的宏观思考。

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