Nature评述：量子理论是否意味着整个宇宙是预先注定的？
Nature评述：量子理论是否意味着整个宇宙是预先注定的？
量子理论的出现似乎打破了经典物理学中关于宇宙演化的决定论观点。然而，美国物理学家詹姆斯·哈特尔提出，量子宇宙可能比经典宇宙更具决定性。这一观点挑战了传统的科学认知，也为理解宇宙本质提供了新的视角。
经典物理学中的决定论
在物理学中，决定论意味着宇宙在任何给定时间的状态和基本物理定律完全决定了宇宙的后向历史和前向演化。经典物理学提出了关于宇宙行为的严格而精确的定律，使这一观点达到了顶峰。
以牛顿的运动定律为例。如果有人知道所有粒子现在的位置和力矩，理论上就可以利用牛顿定律推导出宇宙过去和未来的所有事实。只是由于缺乏知识（或计算能力），科学家们才无法做到这一点。
除了这种独特的预测能力之外，决定论还为科学解释提供了基础，这种解释接近于德国多面手戈特弗里德·莱布尼兹（Gottfried Leibniz）最著名的“充足理由律”：万物皆有解释。宇宙的每一种状态（除了一个明显的例外，我们将讨论这个问题）都可以用先前的状态来完全解释。如果宇宙是一列火车，那么决定论认为，它是在一条轨道上运行的，没有切换到其他轨道的选择，因为不同的轨道永远不会交叉。
物理学家通常喜欢决定论的预测和解释能力。而其他人，包括一些哲学家，则普遍意见不一，主要是因为决定论似乎排除了人类的自由意志：如果物理定律是决定论的，而我们的行为只是粒子相互作用的总和，那么我们似乎就没有自由选择A而不是B的余地，因为宇宙的早期状态已经决定了我们选择的结果。如果我们没有自由，我们的行为又怎么会受到赞扬或指责呢？
神经内分泌学家罗伯特·萨波尔斯基（Robert Sapolsky）在2023年出版的《决定》（Determined）一书中探讨了这个既引人入胜又充满争议的问题。
量子力学对决定论的挑战
20世纪开始出现的量子粒子的奇怪行为从根本上改变了物理学中围绕决定论的争论。
量子力学定律只给出结果的概率，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔在1935年设计的思想实验可以说明这一点（尽管他在设计这个实验时，主要关注的是波函数如何代表现实）。
一只猫被困在一个装有毒药瓶的盒子里，毒药瓶可能被随机事件打破，也可能没有被打破：例如，由于放射性衰变。如果量子力学适用于这只猫，那么它将由一个处于“活”与“死”叠加状态的“波函数”来描述。
在测量时，波函数会随机跳转到两种状态之一，量子力学只规定了其中一种可能性发生的概率。量子力学出现的一个后果是，它似乎将决定论抛到了窗外。
量子宇宙可能更具决定性
但正如二十世纪下半叶的发展所表明的那样，这一公认的观点可能并不是故事的全部。量子宇宙实际上可能比经典宇宙更具决定性，原因有二：
首先是技术原因。牛顿定律允许出现这样的情况，即过去并不决定事物在未来将如何发展。例如，牛顿定律没有规定物体加速度的上限，因此理论上经典物体可以在有限的时间内达到空间无穷大。将这一过程反过来，就会出现所谓的“空间入侵者”（space invader）——来自空间无限的物体，它们与宇宙中的任何其他物体都没有因果联系，也无法从宇宙过去的任何状态中预测出来。
实际上，爱因斯坦的狭义相对论引入的普遍速度限制——光速，已经解决了这个问题。但是，不规则的无限性也困扰着爱因斯坦相对论，因为它是一种经典理论。广义相对论的方程会导致曲率无限大的“奇点”，最著名的就是黑洞和宇宙诞生之初的大爆炸。
奇点就像时空的缺口，在那里理论不再适用；在某些情况下，任何东西都可以从奇点中出来（或消失在奇点中），对决定论构成威胁。
许多物理学家认为，量子理论可以通过消除这种奇点来拯救宇宙。例如，将宇宙大爆炸转化为“大反弹”，让宇宙在奇点的另一侧继续平稳地演化。如果他们是对的，那么一种“量子引力”理论将完全统一量子理论和爱因斯坦相对论，前者预测物质在最小尺度上的行为，后者概括了宇宙的大尺度演化，这种理论将抹平时空缝隙，恢复决定论。
黑洞内部的时空“奇点”可能会威胁到确定性的宇宙秩序
不过，量子宇宙可能更具确定性还有一个更深层次的原因，哈特尔的科学遗产与此相关。
哈特尔与美国物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）一起，为量子理论提出了一种颇具影响力的方法，称为“退相干历史”（decoherent history）。
这种方法试图解释量子物理学中概率陈述的有用性，以及从量子叠加中产生的日常经验中熟悉的经典领域。在他们的图景中，波函数从来不会随机跳跃。相反，它总是遵守薛定谔方程给出的确定性规律，该方程描述了量子态平滑而连续的演化。在这方面，它类似于美国物理学家休·埃弗雷特三世（Hugh Everett III）对量子力学流行的“多世界”解释，即每当测量任何东西时，量子宇宙都会根据波函数中编码的可能性分裂成不同的分支。
在下文中，我们将假设宇宙可以完全由量子波函数来描述，而没有在更基本层面上运行的“隐藏”变量。
哈特尔与斯蒂芬·霍金一起成为量子宇宙学的创始人之一，量子宇宙学将量子理论应用于整个宇宙。
在经典宇宙中，人们可以自由选择一切是如何开始的。即使撇开前面提到的极端情况不谈，经典力学的确定性仅仅在于它为宇宙提供了许多可能的演化历史，并对它们进行了有条件的陈述：如果发生了这种情况，那么接下来就一定会发生那种情况。
回到火车的比喻，决定论本身并不能说明为什么火车会在众多轨道中的某一条轨道上：为什么火车会从A经过C到B，而不是从X经过Z到Y。
我们可以回到之前的状态来解释当前的状态，并一直回到初始状态——但这个初始状态并不能用之前的任何东西来解释。归根结底，标准决定论未能完全满足莱布尼兹的充分理由原则：当涉及到初始状态时，有些东西仍然无法解释。
这种失败不仅仅是哲学上的。一个完整的宇宙理论应该能够预测我们在宇宙中观察到的现象，包括宇宙的大尺度结构以及星系和恒星的存在。无论是牛顿物理学还是爱因斯坦相对论，我们所掌握的动态方程本身都无法做到这一点。
哪些现象会在我们的观测中显现出来取决于初始条件。我们必须观察我们在周围宇宙中看到的现象，并利用这些信息来确定可能产生这些观察结果的初始条件。
一种理论既能明确宇宙的时间演化规律，又能精确确定宇宙的初始条件，这种理论就是英国物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）在其1989年出版的《皇帝的新思维》（The Emperor's New Mind）一书中所说的“强决定论”（strong determinism）。
彭罗斯认为，这“不仅仅是未来由过去决定的问题；根据某种精确的数学方案，宇宙的整个历史在任何时候都是固定不变的”。
如果一个宇宙的基本物理定律固定了一个独特的宇宙历史，那么我们就可以说这个宇宙是强决定论的。如果说决定论提供了一组互不交叉的火车轨道，而没有指定使用哪一条轨道的话，那么强决定论则铺设了一条单一的轨道，甚至无法选择它的起点。
强决定论很难在经典物理学中实现。
你可以考虑把宇宙的初始条件指定为一个定律。但是，尽管经典物理学的动力学定律很简单，宇宙本身却很复杂——因此它的初始条件也一定很复杂。描述所有相关粒子的精确位置和力矩需要大量信息，因此任何关于初始条件的陈述都过于复杂，无法成为定律。
哈特尔提出，量子力学可以解决这个复杂性问题。因为一个量子物体的波函数分布在许多“经典”状态中（例如，猫活着或猫死了），你可以提出一个简单的初始条件，把所有的复杂性都包含在这些状态的量子叠加中。
所有观测到的复杂性都可以看作是对一个简单的基本现实的部分描述：宇宙的波函数。打个比方，一个完美的球体可以被切割成许多形状复杂的小块，但它们可以重新组合成一个简单的球体。
1983年，哈特尔和霍金提出了关于量子宇宙初始状态的最早（也是极具影响力的）建议之一。他们提出的“无边界”（no boundary）波函数观点认为，宇宙的“形状”就像一个毽子：朝向过去，它平滑地滚圆并缩小成一个点。
正如霍金1981年在梵蒂冈发表的关于宇宙起源的演讲中所说的那样：“宇宙的边界条件应该是非常特殊的，还有什么比没有边界的条件更特殊呢？”
从这个角度看，量子宇宙有两个基本定律：一个是时间演化的确定性定律，另一个是为宇宙选择初始波函数的简单定律。因此，量子宇宙满足强决定论。
物理定律允许宇宙的历史只有一个，尽管这个历史是由叠加了许多经典轨迹的波函数所描述的。宇宙作为一个整体不存在任何偶然性，也不存在宇宙如何开始的其他可能性。每一个事件，包括第一个事件，都是可以解释的；宇宙在所有时间的整个波函数都是由定律确定的。量子力学的概率并不存在于基本物理定律的层面上，但却可以分配给对宇宙位点的粗粒度和局部描述。
这使得理论更具预测性和解释性。例如，“无边界”提议预测了一个相对简单的早期宇宙，并预测了暴胀的发生：宇宙在其最初阶段似乎经历了一段快速膨胀的时期。
这一提议仍有许多纰漏，尤其是因为一些研究表明，与最初的预期相反，该理论可能无法为宇宙找出一个独特的波函数。
但是，量子基础研究——大部分独立于量子宇宙学的研究，可以为实现强决定论提供另一种方法。有几位研究人员考虑过一个有争议的观点，即包括宇宙在内的封闭系统的量子态不必局限于波函数，而是可以来自一个更广泛的范畴：密度矩阵空间。
密度矩阵可以被视为“叠加的叠加”，它们为宇宙的初始条件提供了额外的选择。
例如，如果我们有理由采用“过去假说”（superpositions of superpositions）——即宇宙起源于低熵状态（其后熵一直在稳步上升），并且这一理论对应于一组波函数，那么我们就可以选择一个简单的密度矩阵来对应于这组波函数的均匀混合物。
如果我们把密度矩阵视为宇宙的初始状态，并承认它是由定律指定的，那么这一选择连同确定性的冯·诺依曼方程（薛定谔方程的广义），就可以满足强确定性。然而，在这种情况下，定律固定了量子宇宙的宇宙历史，而量子宇宙有许多演变的分支：即“多元宇宙”。
结论
那么，宇宙的决定性到底有多强呢？答案将取决于弥合量子物理学和相对论鸿沟的“终极理论”（ultimate theory）——而这仍然是一个遥远的前景。但如果哈特尔是对的，那么迄今为止决定论兴衰的故事可能与传统故事相反。从某种角度看，量子宇宙比经典宇宙更具决定性，能提供更有力的解释和更好的预测。这对人类也有影响，因为这使得我们更难诉诸量子理论为自由意志辩护。
如果量子宇宙具有很强的决定性，那么除了宇宙的本来面目之外，别无他法。量子宇宙的“终极理论”（ultimate theory）可能会告诉我们它为什么是这个样子。