編輯推薦

約翰·惠勒是20世紀很有影響的科學傢之一，“黑洞”這一術語就是惠勒教授提齣來的。

惠勒的研究為20世紀下半葉的物理學發展勾勒齣瞭方嚮，他在探索世界真理的過程中錶現齣瞭恢宏氣度。

2018年新版的《第*推動叢書》全新設計瞭版式和封麵，簡約個性，提升瞭閱讀體驗，讓科普給你更多想象。

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內容簡介

這本為慶祝著名理論物理學傢約翰?惠勒90周歲生日而齣版的文集，匯集瞭像惠勒教授一樣頂*的科學傢們對世界本質問題的*新研究成果，如：宇宙是怎麼來的？為什麼世界是量子的？存在是什麼？物質的本原是信息嗎？……這些問題是我們願意思考卻又難以迴答的。此書帶我們瞭解有關世界本質的知識，也是我們瞭解神秘宇宙的一本珍典。

作者簡介

約翰·巴羅（John Barrow），美國天體物理學傢，著名科學作傢。2008年被皇傢學會授予“法拉第奬”，他曾榮獲“洛剋天文學奬”和皇傢格拉斯哥哲學學會開爾文奬章。

譯者介紹：

硃蕓慧，羅璿，雷奕安

目錄

第一章 赫拉剋利特之傳承：約翰·惠勒及探索之癢

第二章 自然為什麼要用量子理論來描述

第三章 它來自量子比特

第四章 波函數：實體還是信息

第五章 量子化的成因？實體來自信息？觀察者和世界互動？——惠勒的三個深刻問題及相關實驗

第六章 能說和不能說的，過去和未來

第七章 非局域“薛定諤之貓”：一個探索量子-經典邊界的思想實驗

第八章 關於量子力學，量子計算機能告訴我們什麼

第九章 宇宙暴脹和“時間之箭”

第十章 宇宙學和永恒性

第十一章 平行宇宙

第十二章 量子引力論：結論和展望

第十三章 湧現：我們因此而生

第十四章 真正復雜性及其存在論

譯後記

精彩書摘

第2章：自然為什麼要用量子理論來描述（部分）

約翰·A. 惠勒最喜歡問兩個問題，一個是：“存在是怎麼來的？”另一個就是：“量子是怎麼來的？”（Wheeler 1998）第一個問題實在太難瞭，根本無從答起。因此，本文將試圖迴答第二個問題，也就是：“為什麼要用量子理論來描述自然？”

這個問題的答案又會是什麼樣子的呢？也許我們能從曆史中得到一些啓示。17世紀，物理學傢在麵對著行星運動的開普勒定律時，可能和我們現在處境一樣。應用開普勒定律，雖然可以經驗地準確預言行星的運動，但這組定律卻過於深奧，應用範圍也太小，讓人看不透“為什麼”行星要這樣運動。不久，牛頓指齣，開普勒的三大定律，可以通過他的一套力學定律（牛頓三定律），加上萬有引力定律推導齣來。到這一步，物理學傢纔終於敢說，自己多少“理解”瞭行星的運動。當然，當時還有不少謎團並沒有完全解開，牛頓自己也不理解：為什麼萬有引力可以超距作用，沒有媒介怎麼傳遞相互作用呢？

這個問題，直到愛因斯坦的廣義相對論齣現，纔得到解答。曆史上的另一個例子就是洛倫茲變換。洛倫茲告訴我們，麥剋斯韋方程經過他的變換，形式不變。而與此相反，牛頓力學下，明明更直觀的伽利略變換，卻沒有這種不變性。其實，這裏洛倫茲變換的地位，就像前麵的開普勒定律一樣，非常實用，但是“為什麼”自然要選擇它們，而不是更簡單的伽利略變換呢？要知道，如果要采用洛倫茲變換，就意味著會齣現尺縮效應等反常現象。最終，愛因斯坦迴答瞭這個“為什麼”的問題。他指齣，洛侖茲變換完全可以由兩條非常自然的原理推導齣來，這兩條原理即：物理定律在任何慣性參照係中都相同；光速不變性原理（光速和光源的速度無關）。這樣一來，那些奇怪的尺縮現象也就顯得好理解瞭。

這樣的探索，給我們帶來瞭莫大的滿足。通過尋求更深刻、更閤理的物理原理，我們覺得，那些原本神秘的物理現象，可以理解瞭。這種探索，不僅僅在於試圖建立錶現自然的數學規則，還在於所尋求的是更為基本的原理，從而闡述自然最深刻、最閤理的規律。

然而，物理學的進步，不僅僅給予瞭我們理解世界的滿足感（雖然這種感覺也挺重要的），更重要的是，新的理論能在更大的範圍內適用，並能給齣更精確的預測。過去的經驗錶明，對已有的，物理背後深層原理的探求，能夠促使新理論的誕生。從開普勒定律到牛頓運動學，然後到狹義相對論，再到廣義相對論，物理學的發展曆程，多次雄辯地證明瞭這一點。而這又更加激發瞭我們探索量子力學背後的深層原理的熱情。

本文中，我們要討論量子力學。當前的量子理論，包含瞭一套形式算符體係。比如，態由作用於復希爾伯特空間中的一個正定算符錶示，態的演化由一個幺正算符的作用錶示，而概率可以用求跡法則來計算。和行星運動的開普勒定律、洛侖茲變換一樣，這些數學規則同樣抽象，而且隻能針對某個具體問題。但我們需要的是，一個更基本的量子原理，從中不但可以推導齣現有的定律，而且還有可能像以前的基本原理一樣，給人新的啓示。我們希望它簡單直觀，讓現在各種反直覺的量子效應得到一個閤理的解釋；我們還希望它的齣現能進一步推動量子力學的發展（比如得到量子引力理論）。當最終找到瞭那個根本原理的時候，我們就能說，我們已經迴答瞭惠勒教授“量子是怎麼來的”這個問題。

在深入這些問題細節之前，我們先來看看量子理論到底是一門什麼樣的科學。量子理論應用廣泛，然而它的根本卻在概率的計算，也許把它稱為量子概率論更為準確。因此，量子理論的前身並不是人們通常認為的經典力學，而應該是經典概率論。由於不管哪一種概率理論都適用於各種問題（比如丟硬幣問題、骰子問題、統計力學和統計光學），顯然我們不能以應用的領域（是力學、光學還是電磁學）來區彆經典和量子概率論，這兩者的區分要取決於某種更基本的原理。事實上，這兩種概率理論都屬於同一種數學理論。本來，經典概率論就一直被當作數學，而不是物理課程來講授。而把量子概率論歸入物理的一部分，那是由於，量子物理的發展恰好揭示齣經典概率論不再適用的地方，從而導緻瞭新的概率論——量子概率論的誕生。但實際上量子理論（量子概率論）和量子物理的關係，與經典概率論和經典物理的關係是一樣的，量子理論和經典概率論都是某種元理論（meta-theories）。明白瞭量子理論和經典概率論的不同，或許就能問答惠勒教授的問題。下麵我們就來說明這一不同。

我們將迴答惠勒教授的問題：“量子是怎麼來的？”我們會給齣量子理論的5條公理，從而推導齣離散希爾伯特空間的量子理論。這5條公理不但顯得簡單閤理，而且其中4條在經典概率論和量子概率論中都是成立的。量子概率論和經典概率論的不同，僅僅是餘下的一條公理引起的，這條公理就是，任意兩個純態之間存在連續可逆的變換，正是這一“連續”的概念導緻瞭量子論的産生。這些工作首先發錶於哈代（ Hardy 2001，亦見 Hardy 2002），這裏我們隻摘要齣主要論點，證明的細節請參見Hardy 2001。

探討量子理論起源和結構的文章有很多1。這其中的很多文章是從量子邏輯的角度，試圖從建立測量（當作邏輯命題）之間的邏輯關係齣發，構建量子理論。

近年來，受到惠勒教授的問題的啓發，許多人試著從閤理的基本假設來推導量子理論，其中福斯（ Fuchs 2002）和策林格（ Zeilinger 1999）的論文很有意思，值得一讀。

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