著名物理學(xué)家理查德 · 費(fèi)曼曾說：“我想我可以很有把握地說，沒有人理解量子力學(xué)?！?/p>
物理學(xué)中一些最令人費(fèi)解的課題幾乎都圍繞著量子理論，其中最著名的難題可能要屬 “薛定諤的貓”，以及黑洞蒸發(fā)過程中的信息損失問題。大多數(shù)物理學(xué)家已經(jīng)習(xí)慣了這一點(diǎn)。毫無疑問，量子理論在實(shí)用層面是成功的，但是，當(dāng)量子理論不再僅僅被視為計(jì)算可能實(shí)驗(yàn)結(jié)果的概率工具，而是對 “外部世界”的基本描述時(shí)，嚴(yán)重的概念問題就會(huì)出現(xiàn)。
最基本的問題是，量子理論似乎只與我們測量的東西有關(guān)，而不是關(guān)于世界上存在的東西。有人可能會(huì)認(rèn)為這很好，因?yàn)檫@個(gè)理論僅僅代表了我們關(guān)于世界的 “信息”。但是，這只有在世界上存在某種我們可以被告知的東西時(shí)才有意義；在一般情況下，這樣的信息必須由量子理論指定。
根據(jù)量子理論，系統(tǒng)的一般狀態(tài)（粒子的位置或速度）沒有明確的值。這種不確定性被稱為 “量子不確定性”（quantum uncertainty），也叫 “量子漲落”（quantum fluctuation）。標(biāo)準(zhǔn)教科書中的量子理論涉及物理系統(tǒng)狀態(tài)演變的兩種不同規(guī)則：一種是英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家羅杰 · 彭羅斯（Roger Penrose）提到的 “U 過程”（U-process）。U 過程由薛定諤方程表示，在給定系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的情況下，允許在未來任何時(shí)間（確定性預(yù)測），或過去任何時(shí)間（完全可逆）精確地確定系統(tǒng)狀態(tài)。但是，這條規(guī)則只適用于系統(tǒng)沒有受到 “觀察”的情況。
第二條規(guī)則在系統(tǒng)的某些屬性被觀察或測量時(shí)發(fā)揮作用，是一個(gè)隨機(jī)規(guī)則，被彭羅斯稱為 “R 過程”（R-process）。根據(jù)該規(guī)則，作為測量的結(jié)果，系統(tǒng)狀態(tài)會(huì)跳轉(zhuǎn)到疑問屬性具有定義良好的值的狀態(tài)之一。一般來說，這個(gè)規(guī)則不允許精確地預(yù)測將要發(fā)生的狀態(tài)，也不允許對測量或觀察之前的狀態(tài)進(jìn)行反演。人們可以用 R 過程來準(zhǔn)確地預(yù)測概率，并估計(jì)大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的平均值，以及結(jié)果的統(tǒng)計(jì)離散度，后者在數(shù)值上與上述不確定性水平是一致的。
還有一個(gè)問題是，量子理論在沒有觀察者的情況下，對世界本質(zhì)的主張是模糊的。這個(gè)理論是否需要意識(shí)的參與才能有意義，如果需要，那是否包括老鼠或蒼蠅的意識(shí)？尤其需要指出的是，量子理論中測量所包含的具體要素也非常模糊，幾乎無可彌補(bǔ)。也許我們需要的只是一個(gè)足夠大的裝置，但多大才算足夠大？在邊界處會(huì)發(fā)生什么？所有這些問題被稱為測量問題。如此種種概念上的困難往往會(huì)被物理學(xué)家在實(shí)踐中忽視。
著名物理學(xué)家戴維 · 玻姆（David Bohm）提供了一個(gè)例外。他重新發(fā)現(xiàn)了一個(gè)由路易 · 德布羅意（Louis de Broglie）初創(chuàng)的理論，賦予其不同特征，認(rèn)為點(diǎn)狀粒子在任何時(shí)候都有明確的位置和速度，而量子態(tài)只是引導(dǎo)它們隨時(shí)間演變（而且一只貓永遠(yuǎn)不會(huì)處于既死又活的狀態(tài)）。另一個(gè)值得注意的例外來自支持修正量子理論的研究者，該理論將把 U 過程和 R 過程統(tǒng)一為單一的規(guī)則，消除了在基本層面上引入 “測量”概念的需要。在這種情況下，不幸的薛定諤貓將處于要么死了，要么活著的狀態(tài)，即使沒有人觀察它。
▲ 戴維 · 玻姆
這種方法形成了 “自發(fā)坍縮”（spontaneous collapse）理論的基礎(chǔ)。這些理論的特點(diǎn)是在整個(gè)空間和時(shí)間中觸發(fā)某種微觀的坍縮，類似于所有粒子自發(fā)的 R 過程；也就是說，不需要進(jìn)行測量。更前沿的理論包括多世界詮釋（many-worlds interpretation），由休 · 艾弗雷特（Hugh Everett）提出。在多世界詮釋中，每一項(xiàng)測量都與現(xiàn)實(shí)的一個(gè)分支（或多個(gè)分支）聯(lián)系在一起，這些分支類似于平行共存的世界。
仔細(xì)分析表明，這些理論本質(zhì)上是處理前述問題的三種可能的邏輯途徑：通過增加一些量子態(tài)以外的東西來修正量子理論（隱變量理論中的德布羅意 - 玻姆理論）；通過讓測量事件在所有時(shí)間發(fā)生，對理論中的狀態(tài)演變規(guī)則進(jìn)行修正（如自發(fā)坍縮理論）；或是完全去掉 R 過程（如多世界詮釋）。
許多量子物理學(xué)家都相信，這個(gè)問題，或者人們在這方面可能采取的方法，與他們所在領(lǐng)域的挑戰(zhàn)無關(guān)，但也有少數(shù)研究者持有截然不同的觀點(diǎn)，并認(rèn)為 “自發(fā)坍縮”是最有前景的路徑，可以解決當(dāng)前在理解宇宙規(guī)律時(shí)所遇到的一些最嚴(yán)重的困難，特別是那些必須同時(shí)涉及引力和量子理論的情況。
暴脹與測量
對暴脹時(shí)期的研究是宇宙學(xué)的中心課題之一。科學(xué)家認(rèn)為，暴脹發(fā)生在普朗克時(shí)期之后的極短時(shí)間內(nèi)。普朗克時(shí)期本身就非常不可思議，被認(rèn)為是宇宙歷史中最早的時(shí)間階段，從 0 至大約 10^-43 秒。在普朗克時(shí)期，量子引力應(yīng)該發(fā)揮著主導(dǎo)作用，而時(shí)空本身的概念可能不再相關(guān)或有用（量子引力理論是一種將廣義相對論的基本原理、引力理論和量子理論和諧地結(jié)合起來的理論）。在暴脹的機(jī)制下，通常的時(shí)空概念被認(rèn)為是足夠的。而且，引力也被認(rèn)為能用廣義相對論很好地描述，物質(zhì)則可以用我們在研究常規(guī)粒子物理現(xiàn)象時(shí)使用的同一類理論來解釋（比如在歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，或是對高能宇宙射線的研究）。
主要的區(qū)別，被認(rèn)為在于暴脹時(shí)期占主導(dǎo)地位的物質(zhì)（暴脹子）處于所謂的 “暴脹場”。暴脹場有點(diǎn)像電磁場，但簡單得多，因?yàn)楸┟涀記]有固定的方向或自旋。暴脹時(shí)期的主要特征是，由于暴脹場的引力作用，宇宙以加速的方式極快地膨脹（總膨脹系數(shù)至少是一個(gè) 10^30 的因數(shù)）。結(jié)果，宇宙的空間曲率被驅(qū)使至 0，所有偏離完美均勻性和各向同性的偏差都被完全稀釋（剩余的 10^-90 階偏差，如此之小，可以簡單地取為零）。
暴脹時(shí)期結(jié)束時(shí)，暴脹場衰變，宇宙充滿了如今所能見到的所有物質(zhì)：普通物質(zhì)，構(gòu)成了我們本身，也是組成地球和太陽系的物質(zhì)；借助歐洲核子研究中心（CERN）強(qiáng)大的粒子加速器，科學(xué)家在幾分之一秒的時(shí)間內(nèi)制造出了一些更奇特的物質(zhì)；甚至還有難以捉摸的暗物質(zhì)，似乎構(gòu)成了星系和星系團(tuán)的絕大部分。換句話說，暴脹時(shí)期結(jié)束后的宇宙，應(yīng)該很符合提出更早、更傳統(tǒng)和更經(jīng)驗(yàn)主義的大爆炸理論的描述。此時(shí)，在一個(gè)膨脹的宇宙中，充滿了由各種粒子組成的熱等離子體，其各自的豐度主要由熱力學(xué)因素決定。宇宙在膨脹過程中逐漸冷卻，形成了輕核（溫度下降到 10 億開爾文）；很久以后，形成了第一批原子（大約 3000 開爾文）。這后一個(gè)階段便對應(yīng)了宇宙微波背景輻射所釋放的光子。
在宇宙微波背景輻射溫度模式的微小變化中，我們可以看到來自均勻性和各向同性原始偏差的印記，這些偏差將繼續(xù)增長直到現(xiàn)在，并構(gòu)成我們當(dāng)前宇宙的星系、恒星和行星。關(guān)鍵在于，在很長一段時(shí)間內(nèi)，宇宙都是不均勻且各向異性的。另一方面，根據(jù)暴脹理論，宇宙的劇烈膨脹完全沖淡了所有的不均勻性（不同空間條件的差異）和各向異性（不同方向之間的差異）。這種情況是用完全均勻和各向同性狀態(tài)下的時(shí)空和暴脹場來描述的。
導(dǎo)致所有宇宙結(jié)構(gòu)形成的不均勻性，以及我們在宇宙微波背景中看到的印記，它們都是從何而來？根據(jù)目前的宇宙學(xué)正統(tǒng)理論，它們產(chǎn)生于暴脹時(shí)期的 “量子漲落”和時(shí)空度量。事實(shí)上，某種量子態(tài)的場，也就是所謂的 “Bunch-Davies 真空”也會(huì)伴隨暴脹而出現(xiàn)。這種狀態(tài)，正如平坦時(shí)空中的真空態(tài)一樣，具有 100% 的均勻性和各向同性；但我們本應(yīng)該將這種狀態(tài)的量子不確定性看作是今天宇宙不均勻性的肇因。
大多數(shù)宇宙學(xué)家在這一點(diǎn)上看不出問題，因?yàn)樗麄兒苋菀谆煜?“量子不確定性”和 “統(tǒng)計(jì)離散”（在這兩種情況下，“漲落”這個(gè)詞往往會(huì)掩蓋概念上的偏差）。但是，只有在涉及到測量的情況下，這種觀點(diǎn)才是合理的。關(guān)鍵是，根據(jù) R 過程，測量可能確實(shí)會(huì)改變系統(tǒng)的狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)不再像初始狀態(tài)那樣均勻且各向同性。
那么，在星系、行星和有意識(shí)的生命形成之前的早期宇宙中，有什么可以作為一種測量呢？一些宇宙學(xué)家會(huì)回答說，我們今天正在利用衛(wèi)星進(jìn)行必要的測量。稍加思索，我們就可以發(fā)現(xiàn)這種觀點(diǎn)的問題：人類和人類的測量設(shè)備，是導(dǎo)致早期宇宙具有完美均勻性的原因，改變了宇宙結(jié)構(gòu)（包括星系、恒星、行星等）的形成，而這些反過來是生命出現(xiàn)（并自稱 “智能”）的必要條件！在某種程度上，我們就是自己存在的原因！這不禁讓人想起一首古老的鄉(xiāng)村歌謠所唱的，“我是我自己的爺爺”。
自發(fā)坍縮的加入
在考慮了解決 “爺爺”問題的現(xiàn)有路徑后，墨西哥國立自治大學(xué)核科學(xué)研究所的丹尼爾 · 蘇達(dá)斯基（Daniel Sudarsky）教授等研究者提議在其中加入一種新要素：暴脹場量子態(tài)的自發(fā)坍縮。這是 R 過程的一個(gè)版本，不斷地發(fā)生，通常會(huì)導(dǎo)致暴脹場的量子態(tài)發(fā)生微小而隨機(jī)的變化。這種過程的隨機(jī)性可以解釋早期宇宙中均勻性和各向同性的破壞，而無需調(diào)用任何觀察者或測量設(shè)備。此外，如果自發(fā)坍縮滿足一些簡單的要求，那么對這些不均勻性的結(jié)果預(yù)測就可以重現(xiàn)在宇宙微波背景中看到的溫度變化分布特征。
▲ 自發(fā)坍縮或許是解決測量問題、黑洞悖論和其他量子難題的一種方法
一開始，這種新方法似乎沒有導(dǎo)致任何與標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測發(fā)生重大偏離的結(jié)果。但至少在一個(gè)方面，兩種預(yù)測出現(xiàn)了很大的分歧。結(jié)果表明，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)處理方法，對宇宙中物質(zhì)密度不均勻性產(chǎn)生的預(yù)測，不可分離地與所謂的遺跡引力波產(chǎn)生的類似預(yù)測聯(lián)系在一起。這些引力波與激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）和室女座探測器（VIRGO）觀測到由黑洞和 / 或中子星碰撞產(chǎn)生的引力波相似。但與之不同的是，這些原始的引力波現(xiàn)在已經(jīng)非常微弱，只有在宇宙微波背景輻射極化導(dǎo)致的特定類型的各向異性中才能檢測到它們的存在。
物理學(xué)家一直很熱衷于對遺跡引力波的研究，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為這可能是證實(shí)暴脹理論正確性的主要證據(jù)。然而到目前為止，科學(xué)家還沒有探測到這些引力波的信號(hào)，這也被認(rèn)為是暴脹宇宙學(xué)面臨的嚴(yán)重問題之一。由于預(yù)期探測的失敗，那些最簡單和最有吸引力的模型也都被排除在外。
當(dāng)采用蘇達(dá)斯基等研究者的方法時(shí)，關(guān)于原始引力波產(chǎn)生的預(yù)測顯著減少，以至于它們將無法被目前的方法和探測器靈敏地檢測到。計(jì)算結(jié)果表明，只有在靈敏度大大提高，以及焦點(diǎn)在天空中從非常小的角度轉(zhuǎn)換為非常大的角度的情況下，遺跡引力波才能被探測到。不幸的是，這兩件事做起來都相當(dāng)困難。因此，相當(dāng)出乎意料的是，在蘇達(dá)斯基等人開始進(jìn)行這種概念上的思考時(shí)，對暴脹宇宙學(xué)的具體預(yù)測發(fā)生了戲劇性的變化，新的預(yù)測與現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)更加一致。
黑洞與量子引力
量子理論在概念上的困難也與黑洞有關(guān)。廣義相對論預(yù)言，一旦黑洞形成，其內(nèi)部就會(huì)發(fā)展出一個(gè)奇點(diǎn)，即一個(gè)幾何量在名義上獲得無窮大值的區(qū)域，曲率會(huì)隨著該區(qū)域的接近而發(fā)散。這類奇點(diǎn)的性質(zhì)引起了各種各樣的猜測，有觀點(diǎn)甚至認(rèn)為它們代表了更多奇異物體的出現(xiàn)，甚至可能是通往其他宇宙的入口。不過，它們真正預(yù)示的是一種廣義相對論無法適用的機(jī)制。
也就是說，如果我們想要應(yīng)用廣義相對論，就必須依賴于某種邊界，而這個(gè)邊界排除了那些奇點(diǎn)應(yīng)該出現(xiàn)的區(qū)域。
物理學(xué)家普遍相信，我們目前的理論應(yīng)該被一個(gè)更深層次的理論所取代，這個(gè)理論包含了廣義相對論和量子力學(xué)，并以一種平滑、自洽的方式結(jié)合在一起，那就是量子引力理論。這種量子引力有望 “解決”那些奇點(diǎn)，并消除在涉及黑洞的討論中包含邊界的必要性。這些概念的猜測性最少，而且不涉及通往其他宇宙的入口，或其他出現(xiàn)在奇點(diǎn)位置上的極度奇異的物體。
物理學(xué)家雅各布 · 貝肯斯坦（Jacob Beckenstein）首先指出了黑洞的一個(gè)特征，并將其作為基本線索，那就是它們與外部的能量交換受到一些規(guī)律的支配，似乎與熱力學(xué)定律相同。特別是，正如斯蒂芬 · 霍金所展示的，黑洞通過熱輻射的釋放而失去能量，并且對于覆蓋整個(gè)黑洞區(qū)域所需的每一個(gè)單位面積（邊長為普朗克長度）都有一個(gè)由波爾茲曼常數(shù)給出的熵（在所有的熱力學(xué)系統(tǒng)中普遍存在）。這一觀點(diǎn)在過去幾十年里引起了學(xué)界極大的興趣，因?yàn)槲锢韺W(xué)家開始考慮構(gòu)建量子引力理論的各種方法。當(dāng)然，這種理論應(yīng)該能解釋黑洞熵的表達(dá)式。很快，在相對較短的時(shí)間內(nèi)，而且是在略有不同但總是相當(dāng)受限的背景下，量子引力的支持者找到了能得出相對合適的解釋。
但事實(shí)上，這種從霍金的發(fā)現(xiàn)開始的分析，涉及到量子理論，提出了另一個(gè)一直困擾物理學(xué)家的問題。這就是所謂的黑洞信息 “悖論”，一直是物理學(xué)家激烈爭論和分歧的焦點(diǎn)。
▲黑洞悖論：如果一個(gè)黑洞完全蒸發(fā)，只留下熱輻射，那它似乎不可能編碼所有需要的信息，以重現(xiàn)最初產(chǎn)生黑洞的物質(zhì)的確切量子態(tài)
通常的解釋是這樣的：根據(jù)量子理論，一個(gè)孤立的物理系統(tǒng)的量子狀態(tài)提供了關(guān)于該系統(tǒng)的完整描述。這種狀態(tài)的演變依賴于一種演變法則，允許在未來的任何其他時(shí)間對相應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，或者是對系統(tǒng)在過去的狀態(tài)進(jìn)行反演。另一方面，一個(gè)具有一定質(zhì)量和角動(dòng)量的黑洞可能有很多形成方式。如果黑洞完全蒸發(fā)，只剩下熱輻射（可用非常簡單的方法完全描述其特征），那似乎就沒有方法編碼所有需要的信息，精確地追溯產(chǎn)生黑洞的物質(zhì)的量子態(tài)。因此，從最終狀態(tài)的細(xì)節(jié)來看，要反演黑洞最初形成時(shí)的詳細(xì)狀態(tài)是不可能的，這與量子理論演變規(guī)律的特征相沖突。對許多人來說，這就表明我們面臨著一個(gè) “悖論”。
仔細(xì)研究這個(gè)問題就會(huì)發(fā)現(xiàn)，事情并不是那么簡單（這也是 “悖論”一詞加上引號(hào)的原因）。重點(diǎn)是，根據(jù)量子理論，我們應(yīng)該能夠追溯黑洞最初形成時(shí)的詳細(xì)狀態(tài)的說法是錯(cuò)誤的。只有當(dāng)人們只關(guān)注 U 過程而完全忽略 R 過程時(shí)，才會(huì)得出這樣的結(jié)論。由此，黑洞蒸發(fā)和信息命運(yùn)的相關(guān)問題所引起的思考就與測量問題的解決方法聯(lián)系了起來。
對于測量問題，一個(gè)最有吸引力的解決方案是自發(fā)坍縮。從 2015 年開始，蘇達(dá)斯基及其同事們在簡化模型的幫助下，仔細(xì)思考并分析了在黑洞蒸發(fā)背景下，使用這樣的理論能否完全解決這個(gè)問題。到目前為止，他們的分析表明，答案是肯定的，前提是自發(fā)坍縮率隨時(shí)空曲率的增加而增加。如果是這樣的話，則通常與自發(fā)坍縮相關(guān)的微小水平信息消除就會(huì)變得足夠高效，這是由黑洞內(nèi)部深處的曲率增加所導(dǎo)致的，也解釋了在黑洞完全蒸發(fā)時(shí)，所有信息似乎也都被清除。
接下來，這項(xiàng)工作將繼續(xù)梳理出關(guān)于該理論確切形式的未解問題，以及其中的細(xì)節(jié)，并找到可以對這些概念進(jìn)行檢驗(yàn)的其他情況。盡管事情尚未解決，但有一種可能性是存在的，那就是薛定諤的貓、黑洞信息問題以及暴脹宇宙學(xué)中一些令人困惑的問題，都可以通過考慮自發(fā)坍縮來解決。蘇達(dá)斯基等人最近發(fā)現(xiàn)，這個(gè)方法可能會(huì)有助于解答其他一些問題，包括解釋宇宙初始狀態(tài)為什么具有非常低的熵，以及如何理解暗能量的性質(zhì)和大小等。在涉及引力的問題中使用自發(fā)坍縮理論，似乎也是一條很有前景和令人興奮的研究道路。
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