约翰•惠勒不仅是伟大的科学家和伟大的思想家，还是一位传奇般的教师，他对我们这个世界的复杂性所作的开放性的探索，为其他物理学家成就其事业提供了帮助。本书以20世纪具启发的思想家的第一人称视角，给读者带来京子、黑洞和量子等概念，读者也将看到惠勒是如何由一名热情似火、光彩夺目的少年成长为一位我们这个时代具创新思想的物理学家和具影响力的年轻物理学者的导师。
第15 章万物源自比特
我在得州安顿下来后，便开始深入思考有关量子理论的问题。相对论虽然具有戏剧性和挑战性，但在扩展人类理解——或者说，令人相信——方面却不如量子理论。很明显，如果我们要在21世纪更深入理解这个世界，我们就必须将20世纪物理学的这两项伟大理论——相对论和量子力学——协调统一起来。目前这两者之间充其量也只是勉强共处。
普朗克的量子原理——即自然呈颗粒状——始于1900年。5年之后，爱因斯坦通过将其应用于辐射量子——光子——巩固了这一原理。这些事情都发生在我出生之前，在我父母相遇之前。1913年（我尚处幼年），玻尔将量子理论应用于解释原子结构，并引入了一系列更奇特的概念——“量子跃迁”（成为日后常用语）、特定量子事件的不可预知性、“基态”概念（即存在一种粒子高速运动但却能够不丧失能量的状态）以及发出辐射（即释放出振动频率不同于引起这种辐射的电子转动频率的辐射）等。
1920年代中期（当我上中学时），量子理论的这些“奇异性”被海森伯、薛定谔、玻尔等人打造成我们今天所称的量子力学。这种综合带来的结果中没有比海森伯的不确定性原理更令人惊诧的了。这个原理表明，我们不可能同时测量运动的某些属性。不确定性原理还引入了量子涨落概念，揭示了所谓虚空实际上是一个充满了各种活动的熔炉。你凑得越近去看一个越狭小的时空区域，便会发现这种活动越发剧烈。由量子涨落衍生出粒子和原子的各种可测量性质（这些我们在第10章已经讨论过），以及时空本身的尚不可测量的性质——虫洞、量子泡沫以及不确定几何。
量子力学经过1920年代的大综合之后已经成为一种大体完整的理论。它被应用于各式各样的场合但却从未动摇其根本。在我这么多年的职业生涯里，这一点一直令我着迷。因此当我在奥斯汀的罗伯特·李·摩尔大楼的九楼建立起理论物理中心后，我情不自禁又回到量子理论上来。爱因斯坦不仅提出了光子概念，而且奠定了激光的理论基础。他对量子理论的贡献无与伦比，但他至死不信这个理论。玻尔则至死抱定这个理论，并且认识到它有不完善的地方。“一个人如果谈到普朗克常数而没感到一丝晕眩，”玻尔说道，“那他一定不知道自己在说什么。”这个常数在1933年就让我迷惑，直到今天依然如此。
相对论带来了许多令人惊叹的奇观，为我们指引了一条研究膨胀的宇宙、黑洞、引力辐射、动态几何和惯性起源等问题的途径。但是如果不借助量子力学，相对论也无法完成这些探索。我在得州时提醒自己，如果我要去探索这些最艰深的问题，我最好像钻研相对论那样更深入地思考量子理论。
量子力学经常被描述为针对微观世界的理论。就其适用范围而言，确实如此。在解释分子、原子、光子、电子和其他基本粒子的行为时，量子力学是一种绝对不可或缺的常备工具。但在解释宇宙飞船、行星、彗星和整个星系的运行时，这一理论则显得很不给力。因此我们不禁要问，量子与宇宙之间到底是怎么联系的？或许在任何事情上都存在着这种联系，因为任何一种有关存在的基本理论或多或少都无法截然分开。大爆炸，万物凝聚于无穷大密度的起始点，产生了我们的宇宙。大爆炸就是最原始的高能粒子实验室。大收缩，万物重又挤压至无穷大密度的状态，也许就是我们这个宇宙的终点。在宇宙的起点与可能的终点之间，似乎还有大量经过无限压缩的物质和能量存在于大大小小的黑洞之中。穿梭于宇宙的引力波既可能起源于重如好几倍太阳质量的物质，也可能源自小如单个粒子的物质。量子涨落能扭曲最纤细的维度，也能影响大尺度的时空结构。简言之，我们只有既考虑到相对论又考虑到量子力学，才有可能领悟这一“大图像”。
我曾谈到，量子涨落能以虫洞和难以置信的小尺度量子泡沫来搅动时空结构。时空几何的涨落也同样如此。而所谓几何涨落就是引力涨落。在足够小的距离和足够短的时间尺度上，不确定性原理主宰一切。经典物理里那种平滑、可预言的行为被随机涨落所取代。正如雅科夫•泽尔多维奇所猜测并为斯蒂芬•霍金所证明的那样，这类涨落甚至允许黑洞（缓慢地）蒸发，由此才躲过了万物均难逃黑洞魔掌的法则。不确定性原理以及由其引申出的无限涨落概念是量子力学所带来的一项最重要的信息。
量子理论还为不同的层次——即人类观察者和实验室测量水平上——带来了其他重要信息。不论微观世界具有什么样的不确定性，也不论涨落有多混沌，我们对自然的认知最终都是建立在十分确定、毫不含糊的观察基础之上——即建立在我们直接观察到或测量仪器给出的观测结果基础上。这是怎么做到的？如果“彼处的”世界扭动得像一桶鳝鱼，为什么我们看它时看到的却是一桶混凝土？我们也可以换个方式来陈述这个问题。粒子在其中不断生灭的、充满随机的不确定性的量子世界与我们居住的、看到的、感知到的可预言的经典物理世界之间的界限究竟在哪里？这个问题与我们在第13章里讨论过的对应原理有关，是现代物理学中最深刻的问题之一。它造成了玻尔和爱因斯坦之间的多年论战，并成为多次国际性会议的中心议题。有关量子测量理论的书籍可谓层出不穷（1983年我和沃伊切赫•茹雷克也出了一本讨论这一课题的书）。
对于量子理论中的测量问题，通常都是说测量动作使得不确定性“坍缩”成确定性。这个概念可以通过一个著名的实验来说明。这个实验起初只是一个思想实验，但现在已经可以实际进行了。一个弱光源向一块不透明的挡板一次一个地发射出光子，挡板上有两道间隔很小的狭缝。在挡板的另一侧设有一列小型探测器，用以接收到来的光子。每一个光子到达时探测器都会发出讯号告知人类观察者。
从经典物理的角度看，这个实验毫无神秘之处。每一个光子都会穿越两道狭缝中的一道并被其后的探测器记录下，从而我们知道它走的是哪一道狭缝。实验如果按先仅开一道狭缝，然后再仅开另一道狭缝来进行，然后将所得到的实验结果全部加起来，那么其所得到的结果与同时打开两道狭缝的实验结果并无二致。
但从量子力学的角度来看，其情形就有意思多了。每个光子都遵循概率法则，其行为就像云雾般捉摸不定直到被探测器接收到为止。每个光子都穿越了两道狭缝，既不能肯定说是这道也不能肯定是那一道，这之后它到达的可以是探测器阵列的任意一个位置，只不过到达其中某些探测器的概率大，到达另一些探测器的概率小，到达其余探测器的概率为零而已。最终，假如探测器对单个光子足够灵敏，那么每一个光子都会在某个位置上被探测到，但具体会在何处被探测到则完全不可预知。只有在大量的光子被探测到之后，探测器阵列接收光子的概率分布才能够得到确认。因此测量的行为就是将不确定性转换为确定性的行为。
观察这项真实实验的每一步过程便可以生动理解量子行为。我们看到某处出现一道闪光，接着是另一处，随后又是另一处。这些闪光看似随机，起初并没有明显的模式。然而，随着闪光次数的逐渐累积——每一道闪光代表一个测量事件——我们便看出有些地方探测到许多光子，而另一些地方则不曾探测到光子。光强显示出有规律的起伏：由强到弱再到强再到弱……。这种振荡精确反映了原初的概率，即按照假设——每个光子都走两个狭缝且每个光子云的不同部分都会与其他部分发生“干涉”——计算得到的概率。不仅如此，与经典物理的情形不同，如果我们让实验按一次只开启一道狭缝，接着只开启另一道狭缝来进行，那么将两次实验的结果合并起来后所得的总效果并完全不等同于同时开放两道狭缝的实验结果。因为在双狭缝实验中，光子通过的是两道狭缝，双缝实验的结果并不完全等同于两个单缝实验结果的加和。
我在上面谈到了经典行为和量子行为。量子行为是我们在光子实验或电子实验中实际观察到的行为，而经典行为则是在粒子遵从经典法则的情形下可能被观察到的行为。它们是不同的。那么我们用棒球来做实验会怎样呢？既然光子和电子都不遵循经典法则，为什么棒球要遵循经典法则？假设我们在棒球场的本垒附近安装一道开了两个洞的大的金属挡板，每个洞的直径是一英尺，两个洞之间的间隔为几英寸。当投手向挡板投球时，有些球被投进其中一个洞，另一些球被投进另一个洞（还有些球则会落空）。球不可能被同时投进两个洞。这里看不出有概率云，也看不到干涉作用，更没有不确定性“坍缩”到确定性的事例。事实上，这里确实有概率云存在，也确实存在坍缩到确定性的过程，只不过棒球的概率云属于亚微观尺度，就好像棒球披了件不确定性的薄纱，其厚度远小于球的表皮厚度，甚至小于单个原子的直径。量子涨落对小尺度时空显得非常大，但对于大尺度时空来说则显得相当微小。对于“庞大”的棒球，量子涨落的大小远远小于可观察的阈值。
至于从不确定性坍缩到确定性，除非光子触发了探测器，否则我们根本无法观察到这一行为。从光子被发射出的那一瞬间到它被探测到的这段时间内，我们完全不知道其位置或其运动方向。由于这时它是不可观测的，因此我们说此时光子完全表现为概率云的特性。相反，棒球则是从投手投出到挡板再到捕手的整个过程都可以被重复观测。我们可以使用各式各样的工具——高速照相机、雷达、声纳测距仪甚至肉眼——对这整个过程进行观测。因此观测过程——即从不确定性坍缩到确定性这件事情——是重复出现的，它提供了有关棒球所在位置、移动速度以及路径方向等特定信息，而不只是最终的某个观察点。光子和棒球之间的差别只在于其尺度而非原理。
我希望能对双狭缝实验做更深入的研究。这个实验在概念上很简单，但却能很好地展现量子理论令人迷惑的奇异特征。（在四分之三个世纪里，这个实验一直是论述量子理论所隐含意义的试金石。）想像一个比光子大但比棒球小的球体，例如某种大分子球。如果我们将其射向有两道狭缝的挡板，那么其行为是类似于光子呢还是类似于棒球？或者说，它类似于“纯粹的”量子客体还是类似于一个经典物体？回答是两者皆有可能，具体要看我们是如何来检验这个实验结果。如果我们不对它做扰动性观察，那么其量子特性就会占主导。它可以同时穿过两道狭缝，落在某个无法预言的位置上，并表现出其概率云的一部分与另一部分相干的结果。这种行为对于大如原子的客体都是可演示的。然而，假设我们出于好奇，沿着它走过的路径对其进行观察，那么它的行为就会表现得像个经典物体的行为。对它的重复观测致使其“坍缩”到确定性——我们的追踪观察使得不确定性的概率云烟消云散。
玻尔与爱因斯坦针对量子力学意义的论战持续了28年，战场跨越欧洲和美洲。这两位物理学巨匠彼此惺惺相惜，认识上却从未达成一致。爱因斯坦不相信量子力学能够提供一种关于实在的可接受的观点，但他却找不出理论的矛盾之处。玻尔捍卫这一理论，却也从不掩饰他对其诡异之处的疑虑。据说有一次，爱因斯坦又提到他喜欢讲的一句话，说他不相信上帝会玩掷骰子游戏，玻尔说道：“爱因斯坦，别老想着告诉上帝该做什么事情。”
我在1978年首次讨论的一项思想实验触及了玻尔-爱因斯坦论战的核心。这个实验除了彰显出这场著名论战的实质之外，还告诉我们有关宇宙运行机制方面的某些东西。我将这项思想实验称为“延迟选择实验”。下面就说明其原理。
首先，我们借用一处棒球场。我们在本垒板上设置一面镀有半透膜的镜子。镜子的一面镀有薄的金属反射层，这层极薄的金属膜将入射光的一半反射并让另一半透射。我们在附近设置一个光源，并安排好光路使得来自光源的一半光线被反射到三垒，另一半光线透射到一垒。用量子语言来描述就是，光子有50%的概率射向三垒，有50%的概率射向一垒。平均而言，射向两个垒的光子数各占发出的总光子数的一半。
接着，我们在一垒和三垒上也各安置一面全反射镜。三垒的镜子将入射光线反射到二垒并射向右外场，一垒的镜子将入射的光线反射到二垒并射向左外场。如果我们在左、右外场各安装一套探测器，就能够知道沿每条光路各有多少光子通过。如果右外场的探测器发出声音，就代表有一个光子到达那里，这样我们便可以断定这个光子是来自三垒。如果是左外场的探测器发出声音，则可断定这个光子来自一垒。量子力学预言光子到达两探测器的次数是随机的，但平均次数相同，至少没有奇特之处。这种安排使得光子被等概率地随机发送到不同的路径。每当我们探测到光子，我们就可以断定其所经过的路径。
且慢。量子力学可没说光子是按某种随机序列来选取某条路径的。它说的是光子在被探测到之前是一团概率云，这团云可以同时取道两个路径！这就像双缝实验，两个路径之间的干涉表明单个光子是同时通过两个狭缝的。只有在被测量后，不确定性才会坍缩到确定性。
1. “抓紧！”
2. 曼哈顿计划
3. 家学渊源
4. 我成为物理学家
5. 锋芒初露
6. 国际大家庭
7. 成家立业
8. 后裂变物理学
9. 从约瑟夫一号到麦克计划
10. 引力作用
11. 量子泡沫
12. 自然与国家
13. 黑洞
14. 得克萨斯州和我们这个宇宙
15. 万物源自比特
16. 时间的终点
致谢
索引
译后记
科学传记的典范之作！热情坦率、水晶般澄明……约翰•惠勒一生始终活跃在20世纪物理学*有趣、*重要发展阶段的中心。
——理查德•普雷斯顿，《血疫》的作者
在这部精彩纷呈的书里，我们看到约翰•惠勒是如何由一名热情似火、光彩夺目的少年成长为一位我们这个时代*具创新思想的物理学家和*具影响力的年轻物理学者的导师的。阅读此书，在看到他始终奋战在自然科学的前沿——探秘时空、引力和量子的属性的同时，也让我们自己沉浸在20世纪物理学蓬勃发展的思潮中，遥想物理学的未来。这是一本佳作。
——基普•索恩，《黑洞与时间弯曲》的作者
约翰•惠勒不仅是伟大的科学家和伟大的思想家，还是一位传奇般的教师，他对我们这个世界的复杂性所作的开放性的探索，为其他物理学家成就其事业提供了帮助。本书以20世纪*具启发的思想家的第一人称视角，给读者带来京子、黑洞和量子等概念。
——第摩西•菲利斯，《宇宙纵览》的作者