最前沿物理学——宇宙只是幻象！

http://www.fosss.org/Book/ShiJie/Index.html

我们应该修改物理学教材了！”2005年8月，在德国康斯坦茨湖畔一所大学的最高建筑的顶楼，美国物理学家克里斯托弗·福熙（Christopher Fuch）用这样一个大胆的提议作为其组织的系列研讨会的开场白。康斯坦茨大学出资邀请了50多位美国、加拿大、英国以及意大利、法国和澳大利亚的理论学家和哲学家来参加这一为期一周的会议。他们都是微观物质运动规律研究领域的顶尖专家。其中的一些学者极具威望，但他们也毫不犹豫的推翻了自己曾经持有的观点。作为门外汉，我们无法深入理解研讨会期间专家们彻夜争论的深奥的数学问题。不过，他们讨论都是围绕着这样一个观点展开的：物理学为我们描绘的世界也许并不是真实的物质世界，而很可能只是一个巨大的幻象！

这让我们一下子坠入了云雾之中。在我们一贯的观念中，物理学的目的，正如字典里所清晰定义的那样，不就是“研究物质的属性”吗？物理学家们的确是通过对如同康斯坦茨湖畔的石头一般真实存在的物体的考察和研究，才得以提出了现有的物理学理论。那么凭什么说物理学描绘的只是一个幻象呢？很简单，这是因为物理学家们在抽丝剥茧般梳理“客观现实”这块织物的“纤维”时，令其支离破碎了。而物理学的本义，也因此突然变得支离破碎了。

这种观点最早是在20世纪初提出的，当时物理学家们刚刚能够深入探寻我们这个物质世界的奥妙。他们为自己的发现感到惊奇。在此之前，人们已经习惯性的认为，物体要么是波动，就像海面上荡漾的波浪；要么是在时空中运动着的粒子，就像绿色球台上滚动着的台球。然而，物理学家们进行了更加深入的考察，他们发现光、原子或电子的运动似乎并非如此。比如，在某些条件下，通常被看作波动的光却会像粒子一样的运动；同样，通常被当作粒子的电子有时则会像波一样运动！

还物理学一个真相

短短几年间，理论学家们在创造概念方面作出了史无前例的努力，他们以纯经验论的方式渐渐构造起了一个数学大厦，用以描绘那种种“令人难以置信”的物质运动。就这样，量子力学在1925年正式诞生了，从此不可动摇。但是，要承认量子力学，就意味着必须抛弃海浪和台球，而承认物体——包括电子、原子、分子以至石头——都是由一个极其复杂的代数概念（即“希尔伯特Hilbert空间的态矢量”）组成的。这也意味着还必须接受一套支配物体演化的新规则，使物体之间能以超越空间和时间的方式发生联系，并同时具有几种不同的态，而当人们对它们进行观察时又会根据某些非常精确的概率法则任意缩减为一个单一态。物理学家们不得不接受这些如此“离奇”的概念。因为，据说，这个奇异的量子世界正是我们所处的世界这一理论从来没有受到怀疑；而且这一理论确实也曾成功的预言了各种化学元素的属性、激光和电子芯片的特性、DNA的稳定性甚至核反应的“爆炸性”。尽管康斯坦茨湖中的鹅卵石看起来似乎并未表现出这些奇异的特性（这些特性只在微观系统能够观察到），但量子力学的使命的确就是描述围绕在我们身边以及构成我们的物质的内部运动。

而在这里，我们显然看到了一个大问题！量子力学作为物理学领域中描述物质最深刻的理论，为什么它距离我们的传统观念如此遥远？为什么这一学说最基本的理论都如此难以理解？现实真的是如此超出我们的想象吗？30年来，每年都要举行一些大型的国际学术研讨会，目的是通过对目前掌握的十几条线索进行分析，再现能与当代物理学研究数据相一致的真实世界的面貌。然而问题的关键在于，每一种对于世界的“现实的”诠释看上去都那么超现实！最著名的一种诠释是1957年美国物理学家休·艾福雷特（Hugh Everett）提出的：针对“为什么量子物体能同时具备多态，但在人们对其加以测量时又缩减为单一态”这一问题，艾福雷特解释说，其他所有的态确实存在，只不过它们存在于平行世界中。 而在克里斯托弗·福熙看来，这些研究工作都误入了歧途：“我们的任务并不是要为了证明量子理论的意义，而是去额外的制造更多的结构、更多的定义和更多像科幻一般的假设。我们的任务恰恰是要将这一切统统抛弃、重新从零开始。然而，要做到这一点，我认为就必须把目光投向量子信息学理论的著作、技术和含义。”

一片肥沃的土壤

信息：是的！信息在这里意味着什么？这个概念难以准确定义，但大家从直觉上都知道它到底是怎么一回事：在信息学上，信息就是对能够被按照0和1二进制数进行编码的事件的认知要素。乍一看来，它与量子力学好像没什么关系。不过，在20世纪80年代中期，物理学家们发现，量子法则使人们可以用一种全新的方式处理信息。量子法则实现了两个物体之间的长程关联，这实际上可以被看成一种新的联系渠道，使得人们能够实现信息在两地之间的遥距传输、保障机密信息的安全或同时进行大规模的并行计算。在这些美好前景的吸引下，理论学家和实验学家们便创立了一套新的语言，开拓了物理学的一片充满了活力的新领域——“量子信息学”。

然而惊喜并不止这些。从20世纪80年代末开始，出现了这样一种思考：既然我们可以用量子力学来处理信息，那么可不可以反过来，用信息去理解量子力学呢？可不可以不把量子信息学当作量子力学理论的一种运用，而将其视为这一理论的基础呢？这正是科学家们在康斯坦茨大学会议上争论的核心问题：量子力学所揭示的到底是物体本身还是我们所知的关于物体的信息？也许“希尔伯特空间态矢量”所表现的并非光子、分子或石头这些物体本身，而是我们所拥有的关于这些物体的信息。如果确实如此，那不蒂于对物理学理论的一个彻底颠覆！

粗看之下，这一观点似乎没什么特别，甚至还有些落后：显然，我们只能通过我们贫乏可怜的感知能力获得的信息去了解这个世界：从德莫可立特到康德，哲学家们早就告诉过我们，有一块看不到扯不破的纱幕将我们和现实世界隔开。但如果进一步参考尼尔斯·玻尔、埃尔温·薛定谔以及沃尔夫冈·泡利等现代物理学奠基者的思想，我们就会发现这一观点极其适合诠释量子力学。这是因为，信息具有与物质完全不同的属性：与鹅卵石相反，信息没有空间和时间的位置，因而我们可以任意的复制它、分享它、总结它、删除它。那些离奇的量子现象，我们一直以为它们是物质的属性；但如果我们从信息的角度对这些现象逐一加以重新考察，就会发现它们再正常不过了。

比如，为什么一个系统能同时存在于好几种状态之中？很简单，这是因为我们已知的信息尚不足以准确的告诉我们它到底处于何种状态。为什么对该系统进行测量，就能使其一下子缩减为单一态？这是因为这种测量使我们获得了新的信息，加深了对该系统的认识。为什么两个系统之间可以发生超时空的关联？这是因为这两个系统之间存在着共同点，我们从一个系统获得的信息可以立刻让我们了解另一个系统。量子世界里为什么会有偶然的存在？这是因为我们缺乏必要的信息，无法对一些问题作出回答，所以不得不将其划归偶然的范畴。为什么能量不是连续的而是量子化的？这是因为它和信息本身的量子化是对称的，量子化的信息缩减为一些二进制的答案：是或否、0或1。简而言之，正如奥地利物理学家安东·柴林格在几年前曾解释过的那样：“如果我们遵循这样一个原则：即量子力学的基础概念就是信息，那么我们就能够很自然的理解量子现象。”这样一来，量子现象就变得合乎我们的常识了。

两年来，这一思想不断的得到充分的发展。在那些聚集在康斯坦茨大学的物理学家们看来，现在已经到了从定律层面上用对量子力学的这种新解释来“改写物理学教材”的时候了。现在的目的，不再是对量子理论加以诠释，而是要重新创立量子理论；不再是被动的接受20世纪初物理学界以经验论方式拼凑出来的那些法则，而是要证明这些法则都是与信息获取、信息表达及信息传播相关并受到这些条件限制而得出的结果。这个领域是一片极其肥沃的土壤！杰弗里·巴伯、阿列克谢·格兰邦、吕希安·哈代和克里斯托弗·福熙认为，在我们这个世界中，信息是受到某些限制的。他们努力尝试搞清楚什么样的理论是不描述现实的本来面貌而是描述我们对现实信息的获取的。结果，他们的答案都指向量子理论！他们四人的研究似乎十分令人困惑，其实非常深刻非常理性，值得我们加以特别关注。他们的出发点各不相同：有的认为，信息是主观的，取决于提问的人；也有的认为，信息是客观的，就像是一种新的实体，不受观察者的主观因素影响。但他们都同意这样一点：从信息的概念出发，很容易导出量子理论。这恰恰说明，量子力学并不是一种描述波、粒子或场的运动属性的现实理论，而是一种描述信息属性的理论。

幕后的世界

这完全推翻了我们对真实世界的观点。因为，这说明，我们原来所认为的真实世界，可能仅仅是我们的看法而已。这种情况，就好像是一个仅仅通过电脑屏幕来了解外部世界的人一样：他决不能因此断定，外部世界就是他电脑屏幕上的象素！克里斯托弗·福熙认为，我们必须把信息和世界区分开来。我们必须将资料中属于电脑屏幕的因素去掉，这样才能保证剩下的资料反映的是世界的本来面貌。“通过蒸馏净化而保留下来的部分——相对于整套理论来说，它也许非常微小——才是量子力学试图向我们揭示的自然的本来面貌。”他补充到。同时他强调，现在要知道这种“蒸馏净化了的真实”到底是什么样的，为时尚早。

杰弗里·巴伯的看法则恰恰相反：“关键问题并不在于思考信息指涉的内容是什么。比如，你想把一条消息从你的电脑发到我的电脑中来，那么这条消息包含什么内容并不重要：也许是一幅图片，也许是一篇法语文章，抑或是一篇中文的小说。重要的是，对该消息进行压缩、传送和解码，而不必在乎它反映的是什么。描述信息的交换，在我看来，这才是基础物理学全新而唯一的任务。”

阿列克谢·格兰邦的立场看起来更为极端。他认为物理学根本不应该继续关注现实——那隐藏在屏幕背后的现实。因为既然我们必须通过屏幕去了解现实世界，那么奢谈幕后的现实又有何意义？“有关真实的存在的问题是物理学家们的一种信仰。然而科学并不取决于信仰，”他语气坚定的说，“物理学的任务就在于对事务进行描述，而不在于求证其描述的事务的真实性，也不必去管这种真实性是否存在。”

尽管有人指责他们不承认自我以外的任何真实，是陷入了一种唯心论唯我论的泥沼；也有人指责他们把理论仅仅当成行动的工具，是坠入了工具主义的迷途，但这100余位宣布要推翻传统物理学的物理学家们还是引起了科学界的反响。巴黎科学技术历史和哲学研究所的基多·巴恰加卢皮说：“虽然这些研究工作清楚的表明，信息的某些特性可以将我们直接导向量子结构，但目前看来，这些特性都还不具有决定意义。因为他们所使用的某些数学假设仍然缺乏确定性。”巴黎综合技术学院认识论研究中心的米歇尔·让波尔则为“这曾经在20世纪70年代主宰物理学的现实主义浪潮的再次涨潮”而感到欣喜，他说：“这些研究工作证明和实践了埃玛纽尔·康德首倡的超验论推论：即只有从认知局限的形式出发，才能实现认知。”

无论如何，这一观点目前尚不成熟。因为，即使我们原本以为的真实完全是或部分是一种幻象，那还必须要解释，为什么真实会具有这样一种表象而不是别的表象。因此在信息的基本概念上重新建构时间、空间乃至物质的概念，将是这一全新的物理学艰巨的任务。

通向量子引力学？

这些物理学家们用爱因斯坦在1905年至1915年间完成的事业为例激励自己。起初，爱因斯坦这位年轻的天才为了建立自己的狭义新相对论而对那些高深玄妙的经验方程（洛伦兹方程）进行了重新诠释。两年后，他在此基础上又创立了广义相对论，成了物理学的一根支柱。广义相对论描述的是空间和时间的对称以及万有引力。然而，就像克里斯托弗·福熙所强调的那样：“很难想象一个人——即便他是爱因斯坦——能够实现从洛伦兹变换这样一个抽象结构到广义相对论的直接飞跃。”

爱因斯坦创立相对论是一个充满吸引力的记录：对于量子力学的重新诠释会不会在将来的某一天超越这一记录？信息的概念能否协调量子力学与相对论的矛盾，并最终实现朝向“量子引力理论”的飞跃？这可是物理学家们的最高梦想。吕希安·哈代已经走上这条道路。他在康斯坦茨大学首次介绍了他的“通往量子引力学的新途径”。如果他能够坚持到底，那将是对这一观点的真正的确认。尽管这必将会让物理学家们头痛不已，但物理学教材将因此而彻底改变。

我们曾经以为的客观现实已经被打破，在这片废墟上渐渐诞生了一门“新物理学”：这是一种以信息概念为出发点研究万物的学科。它雄心勃勃的想要重新定义时间、空间和物质。它的最终目标，就是探索一个新的世界——我们的世界。

“欢迎来到世界的源头。”物理学家们孜孜不倦的研究着在微观层次上主宰着我们世界的法则，他们为我们带来了这样一条令人晕眩的消息。他们承认，量子力学远远不能描述物质的属性，它告诉我们的只是“信息”。结论就是：虽然我们一直以为只要伸手出去就能触及到世界的真实基础，但就在我们伸出手去的那一瞬，这些真实的基础便突然消失了，留在我们眼前的只是一种集体的幻觉、一种由我们自己的研究模式所造成的伪迹。

这一切不由得让人联想到几年前由沃卓夫斯基兄弟编导的三部曲电影《黑客帝国》（Matrix）。在这部影片中，无处不在的电脑程序控制了人类，让他们以为自己生活在一个安详的世界之中，然而那个世界却是虚拟的。英国剑桥大学的数学家约翰·巴劳在去年发表的一篇文章，就描绘了一个“仅仅比我们的文明先进一点点”的文明世界。在那个文明世界中，人们“能够模拟星辰的升落和星系的形成；通过整合生物化学法则，还能观察生命和意识的进化、见证不同文明的成长并与他们沟通；人们努力的进行研究和探索，想要知道天空中是否存在着一个创造了他们的宇宙的凌驾于一切之上的超级程序员。”简单的说，他提出了一种观点，即我们可能只是一个巨大的电子游戏里的虚拟存在而已，这种观点并不荒谬。只不过，在目前看来，这种观点还谈不上是科学的，而更多的是一种科学幻想，因为我们无法通过实验来证明或驳斥它。和《黑客帝国》中的主人翁们相反，我们可没有什么红色药丸可以让我们穿透电脑屏幕！既然如此，那么构建这样一个可能永远只是假设的“超宇宙”又有什么意义呢？

不过，几年来信息学的汹涌澎湃对物理学造成了巨大的冲击，这使一些人对该影片剧本的立意产生了浓厚的兴趣。这是因为，如果我们能够恰当把握其表达的思想，就有可能获益良多：我们完全没有必要像这些科幻作品中所描写的那样，为了寻求那超越表象的真实或为了揭开某个虚无飘渺的“超级程序员”的真面目而无畏的耗费我们的精力；相反，我们可以循着这一思路，重新定义我们与世界的物理关系，以便寻找一条与世界和谐相处的途径。

我们应该记住这样一个道理，尽管这个道理好像是一句罗嗦的废话：我们只能通过我们所掌握的关于现实世界的信息去了解这个现实世界。“信息是物质与抽象、真实与理想之间的中介，”美国物理学家汉斯·克里斯蒂安·拜耶强调，“真实的物体，不管是一个原子、一个DNA分子，还是一本书或一架钢琴，都是从信息这种奇特的可压缩的实体中迸发出来的，而信息，在进行了一系列复杂的转换后产生了意义，扎根在我们的大脑、我们的理智之中。”

19世纪的一场公开辩论

要想理解世界，物理学家们的客观性就首先是与信息密切相关的。物理学不只是一种研究本质的本体论，它首先应该是一种方法论——它首先应该研究的是，我们是以什么方式去了解我们所了解的东西，并且应该研究与我们的认知相关的局限。汉斯认为：“如果我们能够理解信息的本质，并将其涵容于我们的物理世界模型之中，那将是我们朝着真正理解客观现实这一目标迈出的第一步。”“一切皆源自信息？”（It from Bit?）这是美国物理学家在1989年提出的一个口号，巧妙的归纳了物理学家们的雄心壮志。也许我们周遭的一切真的只是一个由0和1构成的巨大漩涡的表现？也许我们真的应该用纯信息学的术语去重新定义物理学的法则、重新定义空间、时间以及物质的概念？这一思想看上去如此离奇，但其实，早在19世纪下半叶热力学奠基之时，就已经激起了一场纷纷嚷嚷的公开辩论。热力学研究的是蒸气机内部的热流，当时建立这一学科的坚实基础就是一些可测量的物理概念（比如能量、热、温度和熵），以及一些简单明确的定律（比如能量守恒定律或熵增加原理），还有就是经过证明的能够提高机械效率的一种有效系数。

热力学的例子

当时在物理学界一石激起千层浪的问题就是，这些主宰着宏观物质的法则与分子的微观属性到底有何联系。奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼是第一个通过提倡方法论的态度为解答这个问题扫清了障碍的人：他借助统计学研究，在1875年证明熵的概念——热力学的中心概念——能够被解释为对混乱程度的测量、对一个系统中每个分子位置和速度等未知信息的量的测量。然而，正如苏格兰人詹姆士·麦克斯韦所强调的那样，“混乱，和与其对应的秩序一样，并非物质本身的属性，而是取决于观察它们的人的精神因素”。也许那些具有天赋的感知力、记忆力和计算能力的超人才有可能了解分子的所有奥秘并为熵赋予一个虚空的值。这些物理学家可谓是信息时代先驱，他们不顾当时那些现实主义定义的捍卫者的尖叫和惊呼，大胆的断言热力学概念是“与我们所认知的外延相关的”，这些概念只存在于“仅具有中等认知水平的人的头脑中，这些人能够发现某些形式的能量，同时却忽略了其他形式的能量”。

这场辩论一直没有定论。几十年后，同样的“本体论”和“方法论”之争又随着量子力学的诞生而展开了。在物质最深处发现的奇异性将物理学家们逼进了死胡同，他们中的许多人早早的就预感到有必要换一个角度进行思考。不过，这要一直等到20世纪50年代初洛德·香农提出信息数学理论以及20世纪80年代中期该理论与量子理论发生碰撞之时，这种“信息学的态度”才渐渐成为了科学研究的一个计划。这个计划之所以如此吸引人，是因为香农的理论和物理学都有一个共同的目的：最大限度的对信息进行压缩。事实上，在香农看来，这种压缩是估算一条消息中所包含的信息量的唯一方法；而在物理学家们眼中，这种压缩就要求我们要找到能够归纳尽可能多的现象的、具有足够普遍性的法则和概念。尽管信息的概念依然很难定义，但今天新一代的物理学家们已经准备好了要重新继承麦克斯韦和玻尔兹曼的渎圣的勇气。

“时间，就是无知”

只不过，如今，他们要用信息术语重新诠释的是物理学用来描述世界的所有概念：空间、时间、物质、定律。要实现这个计划，就不可避免的要对爱因斯坦用来描述物质、时间和空间之间关系的广义相对论进行重新诠释。进行这样的重新诠释，人们还没有什么把握。最困难的并不是空间概念。传统上认为，空间一词指的是物体在其中运动的几何环境。但在卡尔洛·罗维利看来，“空间就是关系”。这位任职于马赛地中海大学的意大利理论学家证明了从基础的互动网络——即信息交换网络——出发，就能建构一个拥有一切空间属性的实体。这就有点像是古代军人穿的锁子甲，凑近一些观察，就会发现它并不是一个平面，而是交织在一起的许多小球。为了得出这一结论，罗维利运用了源自“球体量子引力学”（这门正在兴起的学科的目的是将量子理论和相对论统一起来）的一些方法。因此，一直被当作运动的范畴的空间，可以从信息学的角度，被重新定义为无数数据本地传送的结果。

“至于时间。人们已经有了一些奇思妙想，不过仍然很模糊”，罗维利进一步解释道。尽管如此，他还是和法国数学家阿兰·科纳一起，揭示出时间流并不存在于微观层次，而是产生于宏观层次上我们的那种对信息进行压缩的必然需要。更确切的说，只有忽略各种基本态之间的信息差别，我们才有可能观察到参数t，这个参数不隶属于任何态，并且具有时间的所有特性。就像熵一样，如果戴上信息学的眼镜去考察时间这个概念，就会发现它也取决于观察者的信息处理能力，它也是只存在于像我们这样“仅具有中等认知水平的人的头脑中”。可能时间并不是一个用来标记事件进度的独立的流，而是我们没有深入了解事件细节的能力的标志！年轻的俄罗斯哲学家阿列克谢·格兰邦在其论文中也花了一部分篇幅来探讨这个问题，他就此提出了一句令人惊骇的格言：“时间，就是无知。”

那么，对于物质和能量的概念又该如何重新诠释？目前，人们暂未找到任何明确的途径。但是，就像阿列克谢·格兰邦锁强调的那样：“电子或原子，它们首先是一些词语，是普通语言中的一些词汇；有了这些词，我们就可以不去考虑这些物体到底是由什么构成的。”而在方法论的浩大计划中，就必须使用信息术语对这些词加以重新定义。也许有一天，会有一种新的理论能够通过信息概念将量子力学和广义相对论统一起来，到那时我们就能找到答案了。而这正是英国物理学家吕希安·哈代所接受的挑战，为此他提出了一个全新的概念：“原因曲线”，也就是理解我们所具有的为涌入大脑的信息提供逻辑解释的意愿。尽管目前我们还无法判断这种“通向量子引力学的新途径”是否正确，但这种“原因曲线”可以被看作是那些方法论新概念的范型，它们的使命就是全面主导物理学。在人类进入到“信息时代”的今天，物理学的目的不再只是描述世界的本来面貌，而更多的应该是描述我们那被困在颅骨之中的大脑为了理解世界所进行的顽强努力。物理学要作的，不再是通过方程式去对在时间和空间中运动的物质进行计算，而是要以我们为了掌握数据浪潮而做的有限然而勇敢的努力为出发点，使这些概念显现出来。说到底，物理学正在重新定义的，不仅是外部世界，而更多的是我们人类的境遇。是的，从某种意义上说，我们的确是被关在一个类似《黑客帝国》所展示的虚拟世界之中！但和影片所表现的不一样，这个世界并不是一个普普通通的电脑程序：在与这个世界共处时，我们所得到的，就是我们自己对信息进行计算的结果。这个结果不仅不能奴役我们，相反还能使得我们得到解放，防止我们被那汹涌澎湃于我们周围的信息巨浪所淹没。而且，今天，新一代的物理学家们已经下定决心要解开这个结果的密码。