《宇宙简史》 第12章 奔向结局 免费试读
第一节 简明量子力学理论
量子力学理论代表了人类文明的极高成就，就算是现代，也是一个复杂而又难解的谜题。100多年过去了，却依然不被大众所熟悉，就算是天才的物理学家也很难说自己精通量子理论，用量子专家玻尔的话来说：如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有真正的理解量子论。它和相对论一样，让无数人困惑，却又深深地影响着我们的科技道路，今天的每个尖端领域，包括宇宙天文学的起源和未来，都在和量子力学紧密的联系着。
想知道宇宙的结局，我们就要尽可能的多知道一些这方面知识，这是无法绕过的基础，我们压根没有第二条路去对宇宙结局做下一步的探讨。
大爆炸产生的是一种膨胀力，物质之间是引力，空间在膨胀，到处都充满了力，不管是微观还是宏观世界……所有的一切都是“力”在发挥作用。不彻底了解“力”的本质，说什么宇宙的结局和未来都是无稽之谈。而量子力学，研究和揭示的就是宇宙本源之力，它的发展历程无一不是从一步步认识力、光、能量开始，现在，我们就尽量使用最简明的文字来讨论一下这个理论，不要担心自己不明白，当年那些物理史上最伟大的天才们也都是如此走过，他们对量子论的理解过程，和我们下面要经历的几乎是一模一样。
1、 两朵乌云
光，自古以来，它就被理所当然地认为是这个宇宙最原始的事物。在《圣经》里的神要创造世界，首先要创造的就是光。
可是，光究竟是一种什么东西？或者，它究竟是不是一种“东西”呢？
量子力学和光的本质紧密相连，它最先就是源自经典物理学中对于光的本质所做的片面解释。
19世纪末期，物理学体系相当完美和成熟。以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理体系，几乎可以解释一切力学现象、电磁现象和热现象，而且基础牢固，非常严密。
但是，除了“两朵乌云”之外。
1900年，英国伦敦的皇家研究所报告会上，开尔文发表了一篇演讲，名为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》，他的第一段话是这么说的：……现在这一理论(物理学)的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……。”
开尔文能够发现“两朵乌云”并为之忧心忡忡，足见他富有远见。其后的发展表明，正是这两朵小小的乌云，最终酿成了一场席卷物理界的风暴。
第一朵乌云，指的是失败的迈克尔逊－莫雷实验。
当时的科学家已经知道，水波是用水来做传播媒介，声波使用空气做为传播媒介，它们离开了介质都不能传播。那么光的传播介质是什么？要知道太阳光和遥远恒星发出的光，都能通过漫长的星际空间来到地球，这只能说明星际空间中并非真空，而是有着某种介质能让光通过它来传播。于是，物理学家给光找出了一个传播介质，命名为“以太”。
但是，新的问题产生了：既然星际空间存在着“以太”，那就是说地球也是沉浸在以太中的空间中运动，相当于一艘船在海面上高速行驶，迎面会吹来强烈的“以太风”，这种风也必须对光的传播产生影响。
为了观测“以太风”的实际速度，1887年，迈克尔逊和莫雷一起做了一个实验：“迈克尔逊－莫雷实验”，即“以太漂移”实验。但是实验失败了，还是非常的失败，不仅没有测出“以太风”的速度，甚至无法找到“以太风”存在的一丁点儿可能性。
这样的结果显然让经典物理学处于两难境地：要么放弃以太理论，要么放弃哥白尼的地心说理论。但是任何人闭着眼都知道，哪个理论是可以被放弃的。
最终，这朵乌云让科学界放弃了以太理论，重新去认识光的本质，直到引出了相对论，让人类从此生活在爱因斯坦的世界中。
至于“第二朵乌云”，指的是黑体辐射实验和理论的不一致，这是和光能量的性质有关。在开尔文发表演讲的时候，这个不一致问题没有任何解决的线索。这朵乌云最后结局是把量子力学送上了世界科学的舞台，开始发挥自己的强大威力。
一切要从那令人困惑的“黑体”开始。
很早时候，人们就注意到物体的热和辐射之间似乎有相应关系。比如说一块金属放在火上加热，随着温度升高，它会变得暗红起来，温度再高些，它会变得橙黄，到了极高温时候，如果它没有汽化，将可以看到蓝白色。也就是说，物体的热辐射所发出的光和温度有着一定的比例关系（宇宙中的恒星颜色同样是这个道理）。
问题是，物体发出的光和它的温度之间究竟有着怎样的函数关系？
为了找到这个关系，物理学家在理论上假设了一种理想物体：“黑体”，来作为热辐射研究的标准物体，它能够全部吸收外来辐射而毫无任何反射和透射，是一种吸收率100％的纯黑色物体。
在19世纪末的时候，研究这方面理论的科学家们让自己走进了死胡同，因为千辛万苦推导出来的是两套互相矛盾的不同公式：把光辐射看成粒子，就得到适用于短波的维恩公式；把光看成一种波，则得到适用于长波的瑞利－金斯公式。
那么光到底是一种粒子还是一种波？
这个难题在200多年前就已经困扰着我们，现在的物理学家又碰到了这块大石头，不搬开这块石头，物理学没法继续发展，而开尔文在台上描述这“第二朵乌云”的时候，人们也还压根不知道这个问题最后将得到一种什么答案。但是，1900年新世纪来临的那一刻，也带来了物理学的新一个纪元：量子力学的第一个主角——德国人马克斯·普朗克将拉开物理学的崭新一幕。
普朗克的研究兴趣本来集中于经典热力学领域，但是在1896年，他对黑体辐射表现出了极大的兴趣。因为普朗克发现科学家追求的最崇高目标，应该是代表某种客观的、永恒不变的东西，比如说不受外部世界影响的物质的本质，而光显然就是其中一种，于是，普朗克决定彻底解决黑体辐射这个问题。
摆在他面前的全部事实，就是两个公式分别只能在一个有限范围内起作用。普朗克尝试很久也无法调和两者之间的矛盾，直到有一天他决定抛开其他问题，先凑出一个公式来说明光的表达现象。于是，利用数学上的内插法，普朗克凑出了一个公式来说明光的表现形式，结果他赢了，实验结果是确凿的、毫不含糊的正确，但为什么正确？内插法得出的数字到底代表了什么含义？普朗克不明白，却隐隐意识到这绝不可能是侥幸，公式背后一定藏着一些秘密，这秘密应该就是自己追求的最崇高科学目标。
普朗克再一次地研究公式，决定抛却心中的一切传统理论，最终他发现，要使公式成立，就必须做一个假定，假定光在发射和吸收的时候，它不是连续不断，而是分成一份一份的！
这个假定很了不起，非常的了不起，因为它和当时的一切物理学观念都截然相反，如果是真的话，就等于颠覆了经典物理学的基石，让整个物理学大厦去重新建造。
比如说：水被加热到沸腾的100度，我们会理所当然的认为，水温在某个时间达到50度，达到60度，达到70度，达到99度、99又1/3度、99又9/10度……总之，水温一定会通过100度之前的所有数值，它会在某个时刻，精确地等于那个值，一直连续不断的上升到100度为止。
人们从未怀疑过这种连续性、平滑性的假设，它是微积分的根本基础，是牛顿、麦克斯韦的物理体系基础。而现在，普朗克却站出来说：沿着平面上的一条直线从A点到达B点，却可能不经过两点之间的任何一点，这怎么可能呢？真是太奇怪的一种说法。
普朗克的公式说明光有个最小的单位。就好比我们上楼梯，每次都至少要跨上一个台阶，绝不可能跨上1/2、3/4个台阶，在这里，每级台阶就是一个最小的单位，而光也是这样，按照最小单位一份份地发出，在两个最小单位之间，是我们无法认识的禁区。换言之，光是不可能无限细分下去的。
而且，至关重要的是，可以从普朗克的公式里推算出最小单位的精确数值，它约等于6.63×10焦耳/秒。这个单位非常的小，小到象是天文数字一样，身后具有30多个零，但是这么小的一个值，目前已经成为科学中的重要常数，被命名为“普朗克常数”，又被叫做量子。
请记住1900年12月14日这一天，普朗克在这一天的德国物理学会上发表了上述理论，所以这一天后来被确定为量子力学的诞辰。为了纪念他的这一项卓越成就，目前的德国普朗克学会是国际上规模最大、威望最高和成效最大的由政府资助的自治科学组织，拥有许多学科领域的研究所。普朗克奖章则是从1929年开始发放给全世界的杰出物理学家。
和牛顿力学、爱因斯坦相对论完全不同，量子力学理论的身上没有个人标签，并非普朗克一个人建立，而是整整一代精英科学家共同建立的完整体系。
在1900年，量子力学诞生的那一刻，爱因斯坦刚从大学毕业；玻尔在哥本哈根的中学里读书；薛定谔则是维也纳的一名中学生；德布罗意还是一个8岁的法国小男孩；泡利刚刚出生8个月；而再过12个月，海森堡将在德国的维尔茨堡呱呱坠地……这些人，都将是量子力学的精英科学家。
有趣的是，从量子力学理论的发展历史来看，有着这样一个奇怪现象，许多科学巨人研究过量子力学后，却不能接受自己的发现，而纷纷站到了反对方，这里面包括爱因斯坦、玻尔、瑞利、汤姆逊、德布罗意，乃至薛定谔。甚至，普朗克本人也是如此。
作为一个老派的传统物理学家，普朗克不断地告诫人们，要谨慎使用量子，不到万不得已不要使用。量子力学理论就这么被创立者晾了15年，他也没能在量子力学的发展中起到更多积极作用，这点无疑是十分遗憾的。直到1915年，玻尔取得成功后，普朗克才逐渐扭转对量子力学的抵触。
2、 粒子和波是一回事儿
1910年，卢瑟福在实验室里发现原子核是带正电的，而电子则是围绕原子核运转。但是这个发现却在理论上极其不可能，因为带负电的电子会一点点地失去能量，最终“坠毁”在原子核上，整个过程连一眨眼工夫都不到。只有发现一种新理论来解释这种现象，但那是一件很非常难的事情。
卢瑟福是诺贝尔物理奖得主，他的伟大之处不仅仅是这个发现，而是他一生中至少培养了10位诺贝尔物理奖得主，这是非常的了不起的一个成就。他培养的科学界当中，有一个丹麦人，叫做玻尔。
玻尔没有因为卢瑟福的困难而放弃，他凭借着洞察力和直觉，意识到在原子这样小的层次上，经典理论将不再成立，只有普朗克的量子概念才会是一个解决问题的切入点。
1913年，玻尔发现电子的运动不是连续和任意的，其轨道也是量子化的，被分成一个个整数的最小单位，最小单位之间则是电子不可能出现的禁区，电子只能在不同位置之间按照整数的量子单位切换。它就像一个高超的魔术师一样，会在舞台上神奇的变换位置，却让你看不到每一步是怎么走的，或者说，它是一闪一闪的出现在不同位置。
玻尔以三篇论文的形式发表了自己的理论，这是在量子物理历史上划时代的文献。却遭到物理学家们的普遍反对。即使是爱因斯坦也觉得这一理论太勉强了些。
但是基于这个理论，泡利在1925年重新解释了卢瑟福的原子模型，他认为，没有两个电子能够享有同样的位置，而一层轨道所能够包容的位置是有限的，也就是说，电子填满了一个轨道后，其他电子便无法再加入到这个轨道中来，这也就是电子不会坠毁在原子核的原因。后来，这个理论被叫做“泡利不相容原理”。
如此一来，物理学家们开始接受玻尔的电子模型，甚至普朗克也开始重新审视自己的发现。但是不得不说，就玻尔理论而言，如何判断一个电子在何时何地发生自动跃迁是不可能的，它更像是一个随机的过程，把电子这种物质赋予了某种意义上的自由意志，但这显然是不可能的，因为任何物理过程都应该是能够确定并且可预测的，所以，玻尔理论的先天不足导致它非常迅速的被海森堡和薛定谔所终结。
最先发现问题的是德布罗意。他一直觉得玻尔理论有些不妥：电子不应该有自由意志，必须寻找电子的基本性质，让它们自觉地表现出种种周期和量子化现象，才是可靠的电子理论。
德布罗意想到了爱因斯坦，于是他借助相对论开始了运算，结果发现一个感觉有些荒谬的结论……电子居然是一个波！这未免让人感到太不可思议。证据呢？物理学界不相信名不见经传的德布罗意，但是在得到爱因斯坦的赞成后，才开始努力寻找电子是一个波的证据。
1925年4月，美国纽约的贝尔电话实验室，戴维逊和革末发现电子表现出如X射线般的纯粹波动性质；1927年，汤姆逊在剑桥通过实验进一步证明了电子的波动性。他利用实验数据算出的电子行为，和德布罗意所预言的吻合得天衣无缝。
电子，无疑是一种波。戴维逊和汤姆逊因此而分享了1937年的诺贝尔奖金。
但是电子怎么可能是个波呢？如果电子是波，那么我们的身体到底是粒子还是波，整个宇宙到底是粒子还是波？整个物理体系陷于争论中，被逼着走到了一个十字路口。
站在十字路口，给物理学界指明方向的人来自德国，他就是年轻的维尔纳·海森堡，他在量子力学的基础上发展出了矩阵力学，是量子力学的奠基人之一，海森堡坚定地认为物理学应当有一个坚固的基础，它只能够从一些可被实验观察和检验的东西出发，一个物理学家不应该把想象的东西来作为理论的基础。比如玻尔理论中提到一个电子的“轨道”，这轨道究竟是什么来的？有任何实验能够让我们看到电子是真的在轨道上运转吗？有任何实验可以确实地测出轨道距离吗？没有，也不可能有，这些概念都不是在实验室里能够看的到的，那么在此之上建立的原子模型怎么能是正确的呢？
要知道，数学解释一切，我们的想象是靠不住的。
1925年，海森堡发表了论文《论量子力学II》，标志着矩阵力学的问世。科学家以此为基础，可以观察测量原子辐射出来的光的频率、强度等，来计算电子在原子中的轨道模型，以线性谐振作为新出发点，用数集坐标来满足原子光谱组合原则……这个矩阵力学确实比较高深，就连当时的大多数物理学家，也不是很明白矩阵的含义，他所使用的数学知识过于深奥，让人难以熟练掌握。
幸好在1926年，薛定谔一连发了六篇论文，从而建立了另一种全新的力学体系——波动力学，这种理论有着相对简单的易懂性和易操作性，让所有被矩阵力学折磨的物理学家松了一口气。当然，矩阵力学本身的伟大含义是不容怀疑的。
不过，海森堡和薛定谔固执的认定，只有自己的那套方法才是唯一正确的理论。
海森堡从粒子的不连续性出发创立了他的矩阵力学，引入数学工具去建立起整个理论体系；薛定谔沿着波的连续性道路发现了他的波动力学，强调电子作为波的连续性一面，以波动方程来描述它的行为。
矩阵力学，还是波动力学？全新的量子力学诞生不到一年，就面临重大分歧。
事实上，这两种体系都是一个来源发展而来，只不过一个是从粒子运动方程出发，一个是从波动方程出发罢了。当时的很多人也意识到这一点，很快就发现：从矩阵出发，可以推导出波动函数的表达形式来，而反过来，波函数也可以导出矩阵。但是就算可以互相推导，也毕竟是形式上的统一，它根本无法掩盖两者在基础上的分歧。
归根到底，这种对电子的分歧等于是对光的本质分歧：光到底是粒子还是波？
伟大的时刻来临了，海森堡在1927年发现了Uncertainty Principle原理（译成中文时变成了“测不准原理”，不过现在大多数都改为“不确定性原理”）。
这个原理把物理学带入了一个玄妙的境界中，从此，量子力学变的不那么好懂了。
它的大致意思是说：我们要看到一个电子就必须用一个光子去碰撞它，才能根据返回的光子确定电子在哪里，但电子是如此的小而轻，以致于被光子砸的没影了，所以，光子返回的时候，电子早已不在原先的位置了，换句话说，也就是电子没有位置，它也没有具体的路径，我们所说的电子的位置只是一种随机的概率，代表了电子在某个地点出现的概率。这个概率把电子变的像是一个波，有时出现在这里，有时出现在那里，完全不确定。
电子不确定？
这算什么？这已经不是推翻某个理论的问题，这是对整个科学系统的挑战。一直以来，科学都是确定的，完全可以计算的。
但是海森堡的理论却指出：动量和位置，只要一个量出现在宇宙中，另一个就神秘地消失。要么，两个都以一种模糊不清的面目出现。包括能量和时间也是如此，只要能量被测定得越准确，时间就越模糊；反过来，时间测定的越准确，能量就开始大规模地起伏不定。（现在的许多人都相信，包括本书对宇宙诞生的理论也是通过这种机制产生的：量子效应使得一小块时空突然从虚无中产生，然后因为各种力的作用，它突然指数级地膨胀起来，在瞬间扩大到整个宇宙的尺度，这也是大爆炸引申理论的一个基础。）
当海森堡完善了不确定性原理后，立刻就发现电子不可能不是个粒子，它也不可能不是波。那剩下的唯一选择就是……它既是个粒子，同时又是个波。而且毫无疑问，一个电子必须由粒子和波两种角度去作出诠释，任何单方面的描述都是不完全的。在任何时候我们去观察电子，它只能表现出一种属性，要么是粒子要么是波。作为电子这个整体概念来说，它表现出一种波粒二象性，是粒子还是波完全取决于我们如何去观察它。而电子本来的真面目变的毫无意义，对于我们来说，唯一知道的只是我们每次看到的电子是什么。
这个说法是很玄妙的，就好比月亮不是月亮，它是什么取决于我们用什么方式去看它，换句话说，想让它是什么它就是什么！至于它本身到底是什么已经不重要了……。
庄周做梦变成了蝴蝶还是蝴蝶做梦变成了庄周？哪个是“真实”已经没有意义。我们唯一能确定的是它呈现出什么样子来。电子也是一样。是粒子还是波要看怎么去观察它。那到底它本来……没有什么“本来”，它所有的属性都是同观察联系在一起的。一旦观察方式确定了，电子就要选择一种表现形式，它必须作为一个波或者粒子出现，而不能既是波又是粒子，也就是说：波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们却在一个更高的层次上统一在一起，作为电子的两面被纳入一个整体概念中。
蝴蝶和庄周只能存在一个，梦和现实也只能存在一个，但是蝴蝶和庄周、梦和现实，在上一级层次中，共同包含在一个不确定的时间和空间中！
量子力学来到这里，开始变得有些不可捉摸，它更像是一种对于宏观和微观的哲学理念，让我们的理性一步步陷入困境。
我们的论点是，根本不存在所谓“真实”——讨论庄周是不是蝴蝶没有意义，除非事先已经定好了旁观者的性质。这，或许就是整个宇宙的终极认识。
总之，普朗克常数和波粒二象性，构成了量子力学的关键基础。
3、贝尔拿出的双刃剑
普朗克的最小单位理论提出后的几年内，爱因斯坦是赞成的，并从中得到了重要启示：原子的不连续性和光波的连续性之间有深刻矛盾。为了解释光电效应，1905年爱因斯坦在普朗克的基础上提出了光量子假说，认为光也是由最小单位——光子，一份份的组成的。在他的启发下，德布罗意发现了物质波，为后来的波粒二象性和量子力学奠定了基础。
但是，海森堡的不确定性原理让爱因斯坦难以接受，电子怎么可能有自由意志？！爱因斯坦觉得量子理论变的让他忍无可忍。
对于爱因斯坦来说，物理学应该简单明确：A导致了B, B导致了C, C导致了D。每一个事件都有来龙去脉，都有因果关系，物理规律统治一切，而不依赖于什么“随机性”或者“自由意志”，因为一个没有严格因果的物理世界是不可想象的。虽然爱因斯坦本人曾经提出了光量子假设，在量子论的发展历程中作出过不可磨灭的贡献，但现在他却完全转向了这个新生理论的对立面。
爱因斯坦坚信，上帝不掷骰子！量子论的基础有毛病，从中必能挑出错误来使人们回到原先那个严格的、富有因果性的物理理论中。
1927年，量子理论已经席卷了整个物理界，越来越多的人领悟到了不确定性原理的奥义并开始接受量子力学。爱因斯坦常常被反驳得说不出话来，甚至有人刻薄的说他从1925年提出相对论后，就算是一直去钓鱼，现代物理学也不会有什么影响了。
爱因斯坦自己也很困惑，难道量子论一出现，严格的因果性就过时了，应该从物理界退出？
1979年，爱因斯坦的同事，也是玻尔的密切合作者之一，约翰·惠勒提出了一个相当令人吃惊的构想，也就是所谓的“延迟实验”。这个实验是一个戏剧化的思维实验，意思等同于我们可以“延迟”电子的决定，使它在出现之后，再来选择自己的位置！
5年后，马里兰大学的卡洛尔·阿雷和其同事当真做了一个延迟实验，其结果证明延迟实验的正确性，与此同时慕尼黑大学的一个小组也作出了类似的结果。
这样稀奇古怪的事情说明了什么呢？
这说明宇宙的历史，很离奇的可以在发生后才决定是怎样发生的！宇宙中有我们存在这个事实，决定了宇宙为什么是这样的而不是那样的。虽然宇宙演化了上百亿年，但某种“延迟”使它直到被观察到后才确定发生。其重大意义在于，我们的行为本身参予了宇宙的演化过程，等于告诉我们没有看到的宇宙情况，就是还没有发生的、可以被改变的情况。这……有些太唯心了
在薛定谔的猫实验里，如果我们也能设计某种延迟实验，就能在实验结束后再来决定猫是死是活，因为我们可以在打开箱子后，再去 “延迟决定”箱子里的猫是否被毒死。
我们回忆一下笛卡儿的“第一原理”：不管我怀疑什么也好，有一点我是不能怀疑的，那就是“我在怀疑”本身。
量子力学似乎走上了歧途，这条歧途将通向一个唯心主义的领域。顺这条路走下去，将不可避免的陷入“多宇宙论”、“无限分裂宇宙论”的泥潭，直到出现疯狂的“量子***”实验。
从这条歧途（也不一定就是歧途）原路返回后，我们再来看看量子力学的什么地方出了问题？
必须承认，量子论在现实中是成功的，它能够完美地解释和说明观测到的粒子现象。可它的不可预测的随机性，又和普通常识有了冲突。
难道量子论是一个不完全的理论，缺少一些造成随机性的隐含变量？顺着这个思路，玻姆在1952年成功创立了一个完整的隐变量体系。他假设一个电子具有确定的轨迹，却又认为隐变量扰动了它，造成我们观察不到。事实上，爱因斯坦并不赞成这个体系：存在却观测不到，这和不存在又有何分别呢？更严重的是，玻姆放弃了定域性，认为因果关系可能有超距作用，信息会超过光速这个上限在粒子间传播，这……违背了相对论的精神。
1964年，爱因斯坦的忠实追随者贝尔逐渐形成了自己的想法：假定我们的宇宙是爱因斯坦所梦想的那样，它应当具有怎样的性质呢？最后，他提出了一个“贝尔不等式”： 如果世界的本质是经典的，那么宇宙将禁止有超越光速的信号传播，在我们同时观察两个粒子的时候，它们之间无法交换任何信息，它们所能达到的最大协作程度仅限于经典力学理论所给出的极限。这个极限，也就是我们推导出来的贝尔不等式。
贝尔不等式认定两个粒子在逻辑上根本不具有交换信号的能力，向量子力学提出挑战，因为在量子论中，两个粒子在相隔遥远的情况下，在不同方向上仍然可以表现出很高的协作程度。
总而言之，贝尔不等式成了判定宇宙最基本性质的试金石，决定量子力学到底是不是出了本质问题。令人鼓舞的是，我们可以确实地去做一些实验，来看看粒子到底是否遵守贝尔不等式。
贝尔对自己的观点深信不疑，大自然不可能是依赖于我们的观察而存在的。现在，只差那么小小的一步实验，我们就可以结束量子论的混乱，回到经典力学的严密中来，但是贝尔不知道的是，这个不等式其实是一把双刃剑，它也有可能终结经典力学。
1969年，物理学家进行了一系列初步实验，结果出乎贝尔的意料之外，除了一个实验外，所有的实验都模糊地指向量子论的预言结果，但这些实验都不够精确，还不够说服所有人。
进入80年代，飞速发展的激光技术让更为精确严密的实验成为了可能。
1982年，法国奥赛光学研究所第一次在精确意义上作出实验，他们用激光来聚焦，让钙原子释放出一对对相隔约12米远的光子，这样远的距离即使信号以光速也来不及在它们之间传递。接下来，再引导这对光子去往两个不同方向的偏振器，这两个偏振器的闸门飞速的开合着，快到它们彼此不可能知道对方是否通过了偏振器。研究人员再记录两个光子实际的协作程度。如果彼此之间无规律、随机性的各自运动，那就说明量子力学的失败；如果两者通过我们不知道的途径、以超越光速的速度传递了信号，非常有默契的一起通过或者不通过，那么就说明爱因斯坦的理论错了。
1万2千秒，3个多小时后，结果出来了，爱因斯坦输了！
世界真的很奇妙，贝尔不等式击溃了爱因斯坦坚持的世界观，让不讲理的量子论取得了胜利，这意味着世界比我们所想象的更加神奇和玄妙，到底是谁疯了？
很多物理学家都重复了奥赛光学研究所的实验，不断引入新的手段让实验越来越精确：马里兰和罗切斯特的科学家们使用了紫外光；英国人用光纤引导两个纠缠的光子；日内瓦让这两个光子分隔了数十公里……。但是，贝尔不等式仍然遭到一次次的失败。
1990年，三个或更多光子的实验击破了贝尔不等式。
2001年，诺瓦等人描述了更加精密的Be+离子捕获实验。
2003年，皮德曼和弗兰森报道了产生于两个独立源的光子对于贝尔不等式的违反。
…………。
在世界各地的实验室里，粒子们都顽强地保持着一种微妙而神奇的联系。
或许在未来，新的实验会把我们目前的结论全部推翻，让世界恢复到经典的面目中去，但从目前来看，这种可能性是微乎其微的。
从实用的角度来说，量子论是有史以来最成功的理论，它不但远超相对论和麦克斯韦电磁理论，甚至超越了牛顿的经典力学！把物理学家们逼到了一种尴尬的地步。
世界本来就是实实在在的一个存在，这种问题在量子论出现后一直在物理学界避而不谈。现在，物理学将不得不重新去考虑这个看似荒谬的问题：世界到底是否客观存在？
放弃定域性（粒子不会超光速传信的现实世界），就只能认可实在性（粒子之间神秘联系的、没道理的量子世界）。
这样一来，那个在心理上让人觉得牢固可靠的世界就崩塌了。但是，如果你忍受不了这一切，我们也可以走另一条路，那就是说，仍然有可能建立一个隐变量理论，容忍某种超光速的信号在其体系中来回，则它还是可以很好地说明我们观测到的一切。事实上，玻姆的“量子势”的确暗含着这样的超距作用。
可是要是这样的话，超光速的信号意味着什么？意味着获得了回到过去的能力！爱因斯坦的相对论将会崩塌，这样一来，我们将陷入更加迷惑的困境！我们不敢说光速绝对地不可超越，只是要推翻相对论，现在似乎还不大是时候，毕竟相对论也是一个经得起考验的伟大理论。
贝尔虽然承认实验结果，但他仍然坚定地相信，量子论是一种权益之计，终有一天被更为复杂的实验证明是错误的。
2011年10月，欧洲核子研究中心发现了每秒钟比光速多“跑”6公里的中微子。这如果是真的，那它的意义将无比重大……。
4、量子力学的威力
量子力学发展到今天，还是一个相当玄奥的理论，我们讨论了这么多，也仅仅讲到一些重要的发展阶段而已，还有很多理论和成果，其中一些玄奥到接近荒谬的分支理论没有涉及。实际上，我们一直站在一个很多条岔路的路口上，四周有着太多不同的选择，每个选择都通向一个无法预料的未来世界。
在这个复杂的路口，比较大的岔路有哥本哈根解释、多宇宙模型、隐变量体系、系综理论、自发定域GRW理论、退相干历史分支，除此之外，还有非常多的小路，比如：
有人认为进行了一次“观测”之后，宇宙没有分裂，只是我们的大脑思维（或者说“精神”）分裂了，这称为所谓的“多精神解释”（我看这其实就是一种真的精神分裂症）。
还有人认为，在量子层面上我们应该采用“量子逻辑”来描述和理解，放弃以往所有的逻辑思维（否定一切？这是疯狂的理论）。
另一些人觉得不必放弃以往的逻辑，但是必须引入复概率，也就是说概率并不是通常的数字，而是描述为复数概率（我不知道那还叫不叫概率）……等等，很多很多，众说纷纭。
事实上，每一种解释都可以变化出很多形态，让原本就找不到正确道路的我们，更加的迷茫。
更加让人沮丧的是，许多人对于如何提出各种“解释”都搞不清楚。
从量子力学诞生到现在已经100多年了，我们竟然还摸不到一个确切的门槛，仍然没有一个完善的体系。看看相对论——我们宇宙的另一个理论支柱，似乎从来没有这么多千奇百怪的解释；牛顿的物理定律，同样是一个简单完美的体系，为什么量子力学就这么复杂？但它又不是错的，在许多领域都取得了成功。
确实很奇怪，为什么每一次新发现和新技术都没有完善量子力学，反而让它出现越来越多的分歧？
这许许多多的分歧中，很显然只有一种解释是正确的，当然，也可能全都是错的，但物理学家还在不停的发出质疑和制造新的理论解释。
我们来看看量子力学对于现代科学产生了多大的推动力。
最先表现出量子威力的是量子场论：量子论不过是一个描述单粒子的理论，而高能情况下的多粒子还要引进“场”的概念，就是建立量子场论，这个理论证明了所有粒子都是弥漫在空间中的某种场，这些场有着不同的能量形态，而当能量最低时，这就是我们通常说的真空……真空也是粒子的一种不同形态而已，任何粒子都可以从中被创造出来，也可以互相湮灭。这是一个了不起的发现，最早的“反电子”由安德森于1932年在研究宇宙射线的时候发现，这很重要，重要到发现反电子后的没几年就因此获得了诺贝尔物理奖。
在量子电动力学方面，经过量子场论修正后计算电子磁距，理论数字竟然与实验数字吻合到小数点之后第11位（1993年诺贝尔物理奖）！这就有点不可思议了，如果不是反复测算实验值，这种高精度只能让人以为是作弊的。但把量子论应用到广义相对论时，发现这个精确度也和实验值吻合到10……这些都是量子场论的胜利。
固体物理方面，量子论打开了凝聚态物理的大门，当今的微电子技术、激光技术、光电子技术和光纤通讯技术等等都密切联系着凝聚态物理的研究和发展，晶态固体和量子液体是它主要的研究对象；
量子论真正认识了电流的传导，依此基础建立的微电子学是一门发展极为迅速的学科，微机电系统、生物芯片是这方面的代表，具有广阔应用前景；
用量子力学原理讨论分子结构问题，形成了量子化学这一分支学科，在分子物理领域成功解释了化学键和分子轨道的概念，产生绝对反应速率理论和分子轨道对称守恒原理，在表面化学、原子簇化学、分子动态学、生物与药物大分子化学等方面的研究发挥更大作用；量子论重新诠释了超导和超流，造出的晶体管和集成电路极大改变了我们的生活；
量子理论还进一步打碎了原子核甚至质子和中子……。
总之，量子论的出现带来了一场新技术革命：微电子学、核反应技术、计算机技术、现代化学、能源技术、信息技术……全都在根本上被量子论改造出了新生命。
回到宇宙的历史中，将会发现量子理论几乎几乎无处不在：恒星的燃料耗尽后，它们会不可避免地向内坍缩，这时撑起它们最后残骸的就是泡利不相容原理发现的电子简并压力。当电子简并压力够大时，恒星成为白矮星；要是电子战败需要中子发挥简并压力时，恒星就变为中子星；最后，一切简并压力都抵挡不住恒星引力时，它就成为一个黑洞；量子不确定因素的影响，又让黑洞也会产生辐射而消亡……最后，宇宙终极命运的理解也离不开量子论。
宇宙的结局离不开量子论，而宇宙的诞生也离不开量子论：在宇宙极早期，是无法忽略量子效应的，在此基础上，哈特尔和霍金提出的宇宙“无边界假设”延伸到了时间层次：时间时间就像我们地球的表面，没有一个地方可以称之为“起点”。
要想建立量子宇宙学，还需要把量子论和广义相对论结合起来，这是最后的终极挑战，目前来看，已经有了一些线索，那将是解开宇宙终极秘密的钥匙。
目前的瓶颈似乎是卡在光速上，光速到底是不是宇宙中不可超越的速度？不解决这个问题，就很难有突破。（2011年10月，欧洲核子研究中心所发现的超光速粒子，在本书付印之时，还无法得到最终的确认，但是如果这是真的，那么本书的许多问题都将迎刃而解，量子力学的指路明灯将无比的耀眼夺目……。）
接下来，我们站到了大统一***论的面前，似乎我们不讨论一下，就太说不过去了，毕竟已经讲了这么多，无论如何也不应该避而不谈这最尖端的理论，这理论在很大程度上是关于宇宙终极秘密的，搞明白这些之后，我们才能进入下一章节，去讨论宇宙的结局到底会怎样。
5、世界的本源之力
电磁力是我们的出发点。
这种力是我们身边最常见、最普通，也是最容易被忽视和不被谈及的一种力，它是发生在带电粒子（比如电子）之间的作用力，是对我们最重要的一种力。
人的身体之所以能长成这个样子，是因为原子在电磁力作用下组成了大的有机分子，有机分子又在电磁力作用下组合成手、足和躯干。所以，生物之所以能保持生物的形态并具有生物的机能，全得归功于原子核周围的电子。
对于电磁力，我们在中学时候曾经做过实验，知道电磁力有一个最直观的特征：同性相斥，异性相吸。
这种力的本质是什么？
现代的量子电动力学认为：电磁力的本质是电子之间交换无质量光子的结果。如果两个电子面对面的不停把光子抛来抛去，其结果就是每一次抛出都会让自己稍微后退一点，这就是斥力；吸力同样如此，只是两个电子变成了背靠背，每次向后扔给对方光子时都会让自己离对方更近一点，这就是吸力。
但是，当我们穿过电子的区域，来到原子核内部时，面对的就不再是这种力了。比如说原子核里有两个质子的话（中子不带电，可以暂时不去考虑），这两个质子都带着正电应该互相被斥力推开，但实际情况却并非如此，可见电磁力不在原子核内发挥作用，而引力在如此小质量的质子间微弱的接近于零，所以也不是引力把它们拉在一起，那就必定有一种比电磁力强大的力，才可以让质子不分开——这种力叫做强相互作用力（弱作用力是造成许多不稳定的粒子衰变的原因。）
这样一来，我们的宇宙中就总共有着4种相互作用力：引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。这四种作用力可以解释宇宙间所有现象。大统一理论就是把四种力在理论上统一起来，合为一种普适的力，这才是宇宙间的终极力量——这并非完全荒唐可笑的梦想，因为现在的物理学家已经取得了相当成就。
要统一四种力，就需要先找出力的本质，看看它是不是如同电磁力那样，也是因为交换粒子而形成的？
日本物理学家汤川秀树认为：强相互作用力是因为质子之间交换一种新粒子——介子而形成的。1947年英国人鲍威尔在研究宇宙射线时所发现了他所预言的介子，汤川秀树因此获得了1949年的诺贝尔物理奖，而鲍威尔获得了1950年的诺贝尔奖。
对强力的研究在1964年更进了一步，盖尔曼证实所有的强子（受强力影响的粒子统称，比如质子、中子等）都可以进一步分割：每个质子或中子都由3个夸克组成，每种夸克既有不同的“味道”，更有不同的“颜色”。这是一个相当了不起的成就。
在盖尔曼的基础上，量子论学者提出了“量子色动力学”： 质子是交换介子来紧紧挤在一起，夸克之间也是依靠强力来彼此束缚，不同的是夸克之间交换的是“胶子”来维持强力。
那么弱相互作用呢？汤川秀树预言它也交换某种粒子“中间玻色子”。但是弱相互作用力的理论形式看上去同电磁作用力非常相似，这使得人们开始怀疑，这两种力实际上是不是就是同一种东西，只不过在不同的环境中表现得不尽相同而已？
上个世纪60年代，格拉肖、温柏格、萨拉姆三位科学家提出弱电统一理论，把弱相互作用和电磁相互作用统一起来，这种统一理论可以分别解释弱相互作用和电磁相互作用的各种现象，并预言了几种新的粒子，他们因此荣获1979年诺贝尔物理学奖，该理论所预言的3种中间玻色子到了80年代被实验全部发现，更加证实了它的正确性。
统一四种力的希望出现了：既然电磁力和弱作用力可以被一个理论所描述，那么所有的4种力为什么不能统一起来？
确实，宇宙间仅有的四种力要是真能统一到一个理论、一个公式中，就可以描述所有的物理现象，那样一来，整个宇宙将重新显得井井有条，掌握了终极力量的人类将会无往而不胜。
现在，弱力和电磁力已经被合并成了电弱力，下一个目标将是强相互作用力，这种力目前遵守量子色动力学的体系。但幸运地是，量子色动力学和量子电动力学都是在量子场论的统一框架下完成的，这就给统一它们制造了非常好的条件——量子色动力学本身就是模仿量子电动力学建立的，所以把强力统一到电弱力中是一个时间问题，有理由相信这一天不会太远。
可是，对于引力，我们还是束手无策，对它没有任何办法，似乎引力和这三种力不是一伙的，它单独作用于宏观世界中，和其他三种微观世界中的力有着本质不同。
物理学到了这个地步，只剩下了最后一个分歧，但也很可能是最难以调和的矛盾，这其实也是量子论和相对论的矛盾，两个伟大物理理论之间必须融合成一个“量子引力理论”，才能统一这四种力，成为宇宙间关于力的终极理论：万能理论。
爱因斯坦提出相对论之后，就从相对论出发去统合电磁力，耗费了整整30年，直到去世为都没能获得任何进展。相对论和量子论之间似乎有一条不可逾越的界限。
现在，我们以量子论为主导去统合其他力，是否能够真正完成呢？
其实，把相对论和量子论结合起来的量子引力理论，在过去的数十年间已经被物理学家提出了很多种，但我们选来选去，只有一个超弦（Superstring）理论，值得一提。
6、宇宙的本质是超弦？
千万不要认为超弦理论有多么难懂，我们从本书开头一直讨论到这里，对于宇宙的表面现象已经了解的非常深刻。下面的讨论中，我们依然不去研究复杂的数学公式和推理过程，再耐心一点，把所有的想象力都发挥出来，因为，宇宙的本质就快要到了！
先来对比一下分歧所在：相对论里，引力被描述为由于时空弯曲而造成的几何效应，而量子场论是把力看成粒子交换的结果，所以，引力也应该是交换某种粒子的结果，基于这一个判断，引力所交换的粒子还没影儿时，物理学家就为它取好了名字，叫做“引力子”（graviton）。还猜测它应该是一种自旋为2，没有质量的玻色子（弱力交换的也是玻色子，它应该类似于光子，所以才能把电磁力和弱力统一为电弱力）。
可是，在量子场论内部，无论我们如何计算，结果必定导致引力子是个无穷的发散项，它很没道理的说自己是无穷大的！
这种局面一直僵持到1968年，由一个极为偶然的线索开始，那一年，欧洲核子研究组织（设在日内瓦的世界上最大型粒子物理学实验室）的维尼基亚诺无意中把一个函数运用到自己的雷吉轨迹问题上作了一些计算，结果发现这个函数能够很好地描述许多强力的效应。
维尼基亚诺的发现不久后被南部阳一郎，萨斯金和尼尔森分别证明，这个函数模型应用到粒子身上时，等效于一根一维的“弦”！
瓦茨与谢尔克合作研究了这个弦理论，最终发现这种弦是把夸克拴在一起的介质，也就是说，构成强子的夸克被弦所禁闭，永远也不能单独分割出来。随后，他们又发现引力子在粒子家谱中找不到位置，反而有一种比光速还要快的粒子（快子）非常有可能存在！
超越光速？绕来绕去又绕回了相对论的面前，这是个老问题了，和相对论相矛盾，但仔细的去研究一下，快子并不违背相对论，只要它的速度保持在光速以上就行了。但是这样的后果就是真空会变得不稳定，它必然衰变成别的东西！
唉，真空怎么又会衰变呢？这显然是不对的，但是如果非要这样去理解，那么，“弦”就必须存在一个26维的时空中……。26个维度，这太复杂了！不是人类的脑袋可以想象的，要知道我们只能理解3维空间外加1维时间，其余的22维……是干嘛的？很茫然啊。普通人都能相信我们的时空会是一个超过4维的地方。
就这样，弦论被物理学家放弃了。只有极少数物理学家还在坚持着继续研究这个新兴就夭折的理论。
1974 年，一种奇怪的理论：超对称理论出现在科学界。在这个理论中每种基本粒子都有一个伙伴粒子与之匹配，这个伙伴与原粒子的质量相同，自旋相差一半 (也就是说玻色子的超对称伙伴是费米子，费米子的超对称伙伴是玻色子)，两者各种常数间也有十分明确的关联。
说这种理论很奇怪，是因为从它提出来到今天为止，在实验上始终无法观测到任何一个超对称伙伴，连间接证据也找不到。一个理论在完全没有实验支持的情况下生存了这么多年，而且在各个领域都发挥强大作用，这实在是非常罕见的特例。
超对称的互补性可以被巧妙地用来解决高能物理中的一些极为棘手的问题，还是普通量子场论中十分优越的重整化工具。有人猜测超对称理论无法验证的罕见原因，其实就在于它来自大统一理论的幕后。但是不管怎样，这个理论加入了统一四种本源之力的战场。
1971年，施瓦茨和雷蒙等人合作，把原来需要26维的弦论简化为10维。这里面就是引入了“超对称”的思想，我们知道，基本粒子按照自旋的不同可以分为两大类：自旋为整数的粒子被称为玻色子，比如光子，是一种承载“力”的介质；自旋为半整数的粒子被称为费米子，比如电子，是构成物质的粒子。
超对称神奇的将这两类粒子联系起来：每个玻色子都对应于一个相应的费米子。
当超对称***论彻底结合起来之后，弦论展现出统合四种本源之力的巨大可能和美好前景，物理学家为了区别旧的弦论，就把这种结合了超对称的全新弦理论命名为“超弦（超对称+弦论）”理论。
在物理学家用超弦理论去研究引力的时候，更大的喜悦随之而来，引力子的无穷大不再出现，计算结果变的有意义，快子也消失了，最终，老的弦论变得符合相对论！
超弦的本意是把强作用力统一进来，但现在它的研究方向完全转去统合引力，要知道，在强力尚未统一之时，就出现这么美好的前景，不得不说超弦理论真是非常了不起的一个发现。
到了1984年，施瓦茨和格林又解决了无穷多种对称性的反常问题，超弦理论变得更加可信。于是，许多天才的物理学家开始关注这个新生理论，对统一四种力作出了极其深刻的研究，新发现层出不穷，有很多很多，我们就不再去一一探讨了。
可以描述一下我们的成果：任何粒子都是一维的弦或者弯成一个环的一维弦，它们不再是物理学上存在的一个小点。这根弦如同琴弦一样会按照不同的方式振动，分别对应于宇宙中的所有粒子，比如电子、光子、质子、夸克、引力子。而我们的空间不再是四维的，多了6个紧紧收缩在一起的微观维度，这6个看不见的微观维度不停扰动，从而造成了量子的海森堡不确定性。
当然，也有少数物理学家仍然对此抱有怀疑态度，比如格拉肖、费因曼、霍金。他们很自然的质疑为什么有6个维度是收缩挤压起来的？如何去证明它的存在？
没办法证明！因为弦的尺度小到了普朗克长度，在这个尺度上，人类现有科技无法用实验去找到它，而且弦论的计算非常艰深，连方程都无法做出来，做出来的只是近似值。更糟糕的是，这么多天才科学家竟然推导出五种采用10维时空、可以自成体系的超弦理论。
怎么会有五种理论呢？这是不对的。于是，超弦理论的研究热潮逐渐冷却下来。
1995年，南加州大学召开的超弦年会上，爱德华·威顿有了新的发现，他证明五种超弦理论只是一个理论的五种不同表达方式！把这五种超弦理论综合起来，就出现一个新的维度——第11维！换句话说，现有的5种超弦理论是互相包容在一个理论中的，这个理论被称为“M理论”。
但是没人知道这个“M”代表什么意思，或许是指“母亲”（Mother，孕含了五个超弦理论）? “神秘”（Mystery）? “矩阵”（Matrix，黑客帝国中那个母体）？
不过，我个人倒是倾向于这个M指的是“膜”（Membrane），隐含着膜宇宙的意思。
不管怎样，M理论比超弦还要古怪，古怪的让人难以理解。
M 理论中的时空变成了11维，让我们多出一个超引力的变种，这时候的时空结构并非仅仅是1维的直线，它可能是0维的点，2维的一张纸，或者3维的木箱，又或者4维的行驶中列车，5维的……不知道是什么了。
我们现在所说的超弦理论，经常等同于M理论，它们尽管被发现的时间还不久，异常复杂到难以理解，却依然在一些未解之谜上发挥出了作用，比如黑洞的熵的问题。霍金就是因此改变了对弦论的看法，转而支持这个新兴的超弦+M理论。
最近这十多年，M理论暂时没有突破性发展，但是或许很久以后，又或许就在明天，宇宙终极力量的统一随时会实现，这很不好说。
物理学上的很多发现，都是从宏观到微观，只有弦论是颠倒过来的，先在微观粒子领域解决问题，再拿到宇宙空间去应用。或许这种颠倒过来的方式才能最根本的解释宇宙。
许多人相信，超弦理论更进一步的去结合量子理论，将会加速我们发现终极秘密的那一天到来。
21世纪之初的科学界，和上个世纪之初的情况很相似。
100年前的20世纪初，经典的学科一个个开始崩塌，新出现的理论把以前那些曾经完美的体系包容进去，拓宽我们的视野，相对论和经典力学都是如此，并且它们也必然会成为大统一理论的组成部分，在不同领域继续发挥作用，如同经典物理学适合地球重力下的运动规律，结合相对论后就适用于宇宙空间，量子论（是个不完整的理论）适用于微观粒子和高能粒子……新的大统一理论将是相对论融合了完整量子论（可能是超弦/M理论的更高一级）后的终极理论，最终能用一个方程去描述宇宙间所有现象，也适用于所有领域中的所有规律。
当这个日子到来时，人类科技会登上一个巅峰，无限接近于探索自然的终点。
但是，统一以后呢？物理学是不是走到了尽头，再没有更多的发现了？我们的后代将不得不“陷入无事可做的境地，除了修正几个常数在小数点后若干位的值”而已？
未来的某一天，大统一理论的头顶会不会又出现乌云，再次爆发新的理论？没有人知道。
人类的科技历史，严格来讲只有短短的三百多年，超越了人类出现以来的所有成果，尤其是现代宇宙天文学，更是年轻的令人难以置信，下面，我们有了雄厚的理论武器，就可以试着去摸索我们这个宇宙的归宿。
