霍金解析雙縫試驗背後的量子原理（圖文並茂，徹底講透）

史蒂芬·霍金

史蒂芬·霍金簡介

史蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking，1942年1月8日－2018年3月14日），英國著名物理學家與宇宙學家，現任職劍橋大學理論宇宙學中心研究主任。霍金被廣為推崇為繼愛因斯坦之後最才華橫溢的理論物理學家之一。霍金做出很多重要貢獻，最主要的是他與羅傑·潘洛斯共同合作提出在廣義相對論框架內的潘洛斯–霍金奇性定理，以及他關於黑洞會發射輻射的理論性預測（現稱為霍金輻射）。

霍金是皇家文藝學會的榮譽會員，曾經獲得總統自由勳章，這是美國所頒發最高榮譽平民獎。從1979年至2009年，霍金是劍橋大學的盧卡斯數學教授。

霍金撰有多本闡述自己理論與一般宇宙論的科普著作，廣受大眾歡迎。其中《時間簡史：從大爆炸到黑洞》曾經破紀錄地榮登英國《星期日泰晤士報》的暢銷書排行榜共計237周。其他作品有：《果殼中的宇宙》、《大設計》、《我的簡史》，霍金和他的女兒露西·霍金父女合著科學童書三部曲《喬治的宇宙·秘密鑰匙》、《喬治的宇宙·尋寶記》、《喬治的宇宙·大爆炸》。

霍金患有肌萎縮性脊髓側索硬化症（俗稱「漸凍症」），病情會隨著歲月逐漸愈加嚴重。他現已全身癱瘓，不能發聲，必須依賴語音合成器來與其他人通話。霍金曾經有過兩次婚姻，育有3名子女。

雙縫實驗簡介

在量子力學裡，雙縫實驗（double-slit experiment）是一種演示光子或電子等等微觀物體的波動性與粒子性的實驗。雙縫實驗是一種「雙路徑實驗」。在這種更廣義的實驗裡，微觀物體可以同時通過兩條路徑或通過其中任意一條路徑，從初始點抵達最終點。這兩條路徑的程差促使描述微觀物體物理行為的量子態發生相移，因此產生幹涉現象。另一種常見的雙路徑實驗是馬赫-曾德爾幹涉儀實驗。

理察德·費曼在著作《費曼物理學講義》裡表示，雙縫實驗所展示出的量子現象不可能、絕對不可能以任何古典方式來解釋，它包含了量子力學的核心思想。事實上，它包含了量子力學唯一的奧秘。透過雙縫實驗，可以觀察到量子世界的奧秘。

《大設計》封面

《大設計》簡介

《大設計》是2011年湖南科學技術出版社出版的圖書，作者是史蒂芬·霍金。霍金的《時間簡史》是他1988年之前對理論物理與宇宙學的總結。如今歷史車輪又轉過了20多年，人類對宇宙有了新的發現和理解，他自己對宇宙和統一理論也有了許多新的思考，對於未來的發展有許多預言和展望。

《大設計》是霍金在《時間簡史》之後的最重要的著作，它凝結了霍金20多年來對科學和哲學的思考成果，它是在蒙洛迪諾的技術協助下完稿付梓的。

幾千年的文明進程使人們逐步意識到，世間萬物的演化是遵循定律而非以人格化的神的意志為轉移和運行的。

拉普拉斯首先提出了決定論。霍金接受世界決定論的觀點，他進一步說，由於「具有意識的肉體牽涉到極大量的自由度」，所以只能用有效理論——心理學來處理。在心理學這種有效理論中就可以鑲嵌進自由意志。這是極其寶貴的。

近現代科學家們多相信存在獨立於觀察者的實在，而自然定律只不過是它的數學反映。然而，現代科學的發展卻強烈地撼動了這種舊實在論。

霍金認為，判斷一種場景是否實在，只在於其間是否有一套完備的自洽的邏輯或定律通行無阻。世界圖像是一個模型或理論以及一系列將其元素和觀測相連接的規則。霍金將它稱為依賴模型的實在性。

這和柏拉圖以來的許多哲學家所堅持的舊實在論不同。舊實在論體現在經典科學的圖像是存在一個與觀察者無關的外部世界。現代物理學，尤其是量子論擊碎了舊實在論。

20世紀40年代，費恩曼提出了量子論的歷史求和表述。在這個基礎上，約翰·惠勒提出了「延遲選擇」的理想實驗。對於宇宙而言，它的過去具有所有可能的歷史，每個歷史都被賦予各自的概率，對現時宇宙狀態的觀測影響它的過去歷史。這種分析甚至指出從大爆炸如何引出我們感知的自然定律。這一點對於宇宙學具有關鍵的意義。

從人類意識到宇宙萬物被定律制約，直到今日對萬物理論的發展，它是一部理性逐步戰勝蒙昧的迄今還在繼續的史詩。

1965年，宇宙微波背景輻射的發現使大爆炸模型被普遍接受。在大爆炸宇宙場景之先有一個暴脹的過程，它可以解釋大爆炸宇宙學中的視界、平性和磁單極子以及宇宙結構的起源問題。所有這些都迴避不了宇宙學最根本的問題——宇宙的創生。

20世紀80年代，霍金等人提出的無中生有的場景是一個徹底解決宇宙創生問題的最滿意方式。那時，理論物理學界認為四維時空中只有一組定律。所以，無邊界量子宇宙學不僅是自洽的，還是自足的，單憑物理定律即能預言宇宙中的一切。這一點對於宗教的含義非常深遠，上帝在這個場景中已無立足之處。這個觀點在《時間簡史》中早已表達得很清楚。在《大設計》出版前夕，路透社記者和中外無數媒體仍然聳人聽聞地說，「他改變了對上帝的看法。」與其如此，不如說，這些人從來沒看懂過《時間簡史》。

物理學研究方法通常是從第一原理出發，對某些模型進行研究，進而與觀測相比較。但從20世紀中開始，人們發現，在天體物理和宇宙學中，往往還可由觀察者存在這個條件出發而得出許多結論。這個原則被稱作人存原理。例如，關於我們觀察到的時空為何是四維，從人存原理早已得知。從量子宇宙學首次推出我們生活其中的時空為四維是晚近的事。在無邊界的超引力宇宙學中，可證明外時空必須是四維的，而內空間為七維的。

人存原理和第一原理似乎處於理論物理的兩極，為什麼從兩者能得出同樣的結論呢？

如果我們得知宇宙某一時刻的內外空間的一切信息，則量子宇宙學中的無邊界設想的原型仍然適用。然而，人們在現實中只能掌握到外空間的信息，所以對無邊界宇宙的場景要做相應的改變。在給定的外空間的狀態下，由於內空間的大量可能性，此前宇宙的與無邊界設想相符的歷史就有許許多多。我們要尋找其中概率最大的那個歷史。這個歷史同時確定了內空間的「捲縮」方式，並由此導出四維時空的表觀定律和初始條件。這種新手段被稱為「從頂到底」的方法。這種方法的含義是，我們的觀察創造歷史，而非歷史創造我們。因和果的差異在這裡居然消失了。由此也可看出為何從人存原理和第一原理可以得出相同的結論。

無邊界量子宇宙學已經把造物主或上帝從宇宙創生的場景中祛除，而這新方法在某種意義上又將我們推上萬物之靈的寶座。

從M理論迄今作為終極理論的唯一合格候選者到宇宙的存在和創生，人類已經如此清晰地理解宇宙和我們的存在，這真正是理性的勝利。事實上，任何文化創造，無論是藝術的還是科學的，恐怕都不及理解我們自身存在這個命題偉大。

顯然，《大設計》是一部具有求知慾和好奇心的青年人必讀之書。

（譯者吳忠超系著名物理學家霍金的華人學生。霍金的《時間簡史：從大爆炸到黑洞》、《果殼中的宇宙》等作品的中文譯者，現任浙江工業大學教授。）

以下內容摘自《大設計》第四章：可擇歷史

第四章page56~57

這似乎非常古怪。打開第二道縫隙何以使到達某些點的分子變得更少呢?
我們可由審視細節獲得答案的線索。在這個實驗中，許多分子足球打到——如果球分別通過這道縫隙或那道縫隙——你預料它們擊中之處的中點。非常少的分子到達偏離中點稍遠處，但是在離那個中心更遠處，你又會觀測到有分子到達。這種模式不是每個縫隙分別打開時形成的模式之和，但是你可以認出：它正像第三章裡所描述的幹涉波的特徵條紋。沒有分子到達的地方對應於從兩縫發射來的波到達時的反相，並產生相消幹涉；而許多分子到達的地方對應于波到達時的同相，並產生相長幹涉。
在科學思想的最初2000年許，理論解釋是基於通常的經驗和直覺之上。隨著我們改善技術並擴展可能觀測的現象範圍，我們開始發現自然行為的方式和我們的日常經驗，也因此和我們的直覺越來越不一致，正如巴基球實驗所顯示的那樣。那個實驗是經典科學涵蓋不了的，而只能歸於所謂量子物理所描述的那一類典型現象。事實上，理察·費恩曼寫道：我們剛才描述的那個雙縫實驗「包含了量子力學的所有秘密」。
在發現牛頓理論不足以描述在原子或亞原子水平上的自然之後,20世紀前期發展了量子物理的原理。物理的基本理論描述自然力和物體對這些力如何反應。比如，牛頓的經典理論是在反映日常經驗的框架的基礎上建立的。物體在其中具有單一的存在，能位於一個確定的位置，遵循確定的路徑等。量子物理為理解自然如何在原子和亞原子尺度下的運行提供框架，但正如我們將更仔細看到的，它要求完全不同的概念範型，在那裡物體的位置、路徑甚至其過去和未來都不能被精密確定。諸如引力或者電磁力等各種自然力的量子理論就是在那個框架中建立的。

基於和日常經驗如此陌生的框架之上建立的理論還能解釋被經典物理學如此精確地模擬的尋常經驗嗎?它們能，因為我們以及我們周圍的一切都是複合結構，是由多到不能想像的原子組成的，原子的數量比在可觀察宇宙中的星辰還要多。而儘管其組成部分的原子服從量子物理原理，人們可以證明，形成足球、大蘿蔔和大型噴氣飛機——以及我們——的大量原子集合確能避免通過縫隙時繞射。這樣，雖然日常物體的組成部分服從量子物理，牛頓定律還是形成一個有效理論，它非常精確地描述形成我們日常世界的複合結構如何行為。
這聽起來似乎很奇怪，但是在科學中有許多情形，大群體以與它個別成分的行為不同的方式行為。單個神經元的反應幾乎不能成為人腦反應的前兆，有關水分子的知識也未能告訴你多少關於湖泊變化的信息。在量子物理的情況中，物理學家仍在努力捉摸牛頓定律如何從量子世界浮現出來的那些細節。我們所知道的是，所有物體的部分服從量子物理定律，而牛頓定律則以很好的近似描述著由那些量子成分構成的宏觀物體的行為方式。
因此，牛頓理論的預言和我們大家在經歷周圍世界時發展的實在性觀點相符合。但是單個原子和分子以一種和我們日常經驗根本不同的方式行為。量子物理是一種新的實在模型，它為我們提供了宇宙的圖像。這是一種這樣的圖像，許多對我們直觀理解實在來說至關重要的概念在其中都不再具有意義。
1927年，貝爾實驗室的實驗物理學家柯林頓·達維孫和勒斯特·澤默首次實施了電子雙縫實驗，他們是在研究一束電子——比巴基球簡單得多的物體——如何與鎳晶體相互作用。如電子那樣的物質粒子像水波那樣行為的實驗事實，讓人憬然醒悟，從而啟示了量子物理。由於在宏觀尺度下觀察不到這類行為，長期以來，科學家對剛好仍能顯示這種類波性質的某物可以多大、多複雜感到好奇。如果可以利用人或者河馬來演示這個效應，那一定會引起轟動，但正如我們說過的，物體越大則量子效應就越微弱，越不明顯。因此，任何動物園的動物都不太可能以類波形式通過它們籠子的柵欄。儘管如此，實驗物理學家仍觀察到了不斷增大尺度的粒子的波動現象。科學家希望有朝一日使用病毒重做巴基球實驗，病毒不僅大得多，還被某些人認為是具有生命的東西。

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為了理解我們後面幾章要作的論證，只需要言及量子物理的一些方面。關鍵特點之一是波/粒二重性。物質粒子像波那樣行為曾使所有人驚訝，而光像波那樣行為就不再引起任何人驚訝。光的類波行為對我們似乎是自然的，並且在幾乎兩個世紀的時間裡被認為是接受了的事實。如果你在上面的實驗中將一束光照在兩道縫隙上，兩個波會出現並在屏幕上相遇。它們的波峰和波谷分別在某些點上重合併形成亮斑；在另外一些點上一束波的波峰會和另一束的波谷相遇把它們對消，而留下暗的區域。英國物理學家託馬斯·楊在19世紀早期進行了這個實驗，使人們信服光是波，而非如牛頓曾經相信的，由粒子構成。
儘管人們也許會得出結論說，牛頓說光不是一個波時他是錯了，但當他說光能以仿佛它是由粒子組成的那樣行為時，他是正確的。我們今天將它們稱為光子。正如我們是由大量的原子構成，在日常生活中我們看到的光在這個意義上是複合的，即它是由大量的光子構成——甚至1瓦的夜燈每秒就發射出一百億億個光子。單個光子通常是不明顯的，但是我們能在實驗室產生這麼微弱的一束光，它由一串單個的光子組成，我們可以把它當做單個光子來進行檢測，正如我們檢測單個電子或巴基球那樣。而且我們可以利用一束足夠稀疏的光來重複楊實驗，使得一次只有一個光子到達障礙，在每次到達之間相隔幾秒鐘。如果我們這麼做，然後將所有記錄在障礙另一方屏幕上的個別的撞擊都加起來，我們就會發現它們一起累積成幹涉條紋，這個條紋與我們進行達維孫-澤默實驗但用電子(或巴基球)一次射一個到屏幕上所累積的條紋一樣。對於物理學家，這是一個令人驚訝的啟示：如果單個粒子與其自身相干涉，那麼光的波動性質就不僅是一束或一大群光子的性質，而是單個粒子的性質。

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量子物理的另一主要信條是由威納·海森伯在1926年表述的不確定性原理。不確定性原理告訴我們，有一些成對的物理數據，比如一個粒子的位置和速度，我們是沒有能力同時測量得精確的。例如，根據不確定性原理，如果你將一個粒子位置的不確定性乘上它的動量(質量乘速度)的不確定性，其結果決不能比某一稱為普朗克常數的固定的量更小。這是個繞口令，但可以將其要點敘述如下：你把速度測量得越精確，你就只能把位置測量得越不精確。例如，如果你將位置的不確定性減半，你必須將速度的不確定

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性加倍。和米、千克、秒這樣的日常測量單位相比較，普朗克常數是非常小的，注意到這一點也很重要。事實上，如果以這些為單位，它的值約為6/10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000。 由此，如果你將諸如質量為1/3千克的足球的宏觀物體在任何方向都定位在1毫米之內，我們仍能將其速度測量到精度甚至遠比每小時億億億分之一米高得多。那是因為，以這些單位測量，足球質量為1/3，而位置不確定性為1/1000。兩者都不足以負責普朗克常數的所有那些零，這樣責任就落到速度的不確定性上了。但是電子在同樣單位下具有0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 001的質量，所以對於電子情況完全不同。如果我們測量一個電子的位置，其精度大約對應於一個原子尺度，不確定性原理要求，我們知道電子的速度，精確度不可能比大約正負每秒1000千米更高，一點也不精確。

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根據量子物理，不管我們得到多少信息，也不管我們計算能力有多強，因為物理過程的結果不能無疑地被確定，所以也不能無疑地被預言。相反地，在系統給定的初始狀態下，自然通過一個根本不確定的過程來確定它的未來狀態。換言之，即便在最簡單的情形下，自然也不會要求任何過程或者實驗的結果。更確切地說，它允許幾個不同的可能結果，每一種結果都具有確定的實現的可能性。用愛因斯坦的話說，仿佛上帝以投骰子來決定每一個物理過程的結果。這個思想使愛因斯坦苦惱，因此儘管他是量子物理的創始人之一，後來卻成為它的批評者。
量子物理似乎會削弱自然受定律制約的觀念，但事實並非如此。它反而引導我們去接受決定論的新形式：給定系統在某一瞬間的態，自然定律確定各種將來和過去的概率，而非肯定地確定將來和過去。儘管這不符合某些人的口味，但科學家必須接受和實驗相符的理論，而非他們自己的先入為主的觀念。
科學所要求的是理論可被檢驗。如果量子物理預言的概率性質意味著不可能證實那些預言，那麼量子理論作為正確理論是不夠格的。但是儘管它們的預言僅具概率性質，我們仍然能夠檢測量子理論。例如，我們能夠多次重複一個實驗，並且證實不同結果的頻率符合預言的概率。想想巴基球實驗。量子物理告訴我們，任何東西都不能位於一個確定的點，否則的話，動量的不確定性就會是無限的。事實上，根據量子物理，在宇宙中任何地方都有找到任何粒子的某個概率。這樣即便在雙縫裝置中找到一給定電子的機會非常高，但在半人馬座α星，或在你辦公室自助餐廳的肉餡土豆餅中，總會有些機會能找到它。由此，如果你把一個量子巴基球踢飛，不管你有多大技巧和知識，都不允許你預先說它將準確地落在何處。但如果你多次重複該實驗，你獲得的資料就反映出在不同地方找到球的概率，而實驗者已經證實這種實驗結果和理論預言相一致。

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量子物理的概率不像牛頓物理或日常生活中的概率，懂得這一點很重要。將恆定地打到屏幕上的巴基球流注累積的模式與運動員瞄準圓靶上靶心射擊累積起的彈孔模式作一比較，可以對此有所理解。除非運動員喝了太多的啤酒，飛鏢擊中中心附近的機會最大，離中心漸遠，概率就減小下來。與用巴基球一樣，任何給定的飛鏢可到達任何地方，而過一段時間就會出現反映潛伏概率的彈孔的模式。我們在日常生活中可將這情形表達為，一個飛鏢具有打到不同點的某一概率；但跟巴基球的情況不同，如果我們那麼說，那只是因為我們對其投射條件的知識不完整。如果我們精確地知道運動員投鏢的方式，其角度、自旋和速度等，我們就能更好地作出描述。那麼，在原則上，我們就能夠要多準確就有多準確地預言中鏢之處。因此，在日常生活中，我們利用概率的說法來描述事件的結果，非關過程的內稟性質，而只是我們對它的一定方面無知的反映。
量子理論中的概率迥然不同。它們反映了自然中的基本隨機性。自然的量子模型包含有不僅與我們日常經驗也和我們實在性的直覺概念相矛盾的原理。發現那些原理奇異並難以置信的人不乏知音，包括愛因斯坦甚至費恩曼這樣偉大的物理學家，我們很快就要介紹後者對量子論的描述。事實上，費恩曼有一次寫道：「我以為我可以有把握地說，沒人能理解量子力學。」但是量子物理和觀測相符合。它受到的檢驗比科學中的任何其他理論都多，但從未失敗過。
1940年代，理察·費恩曼令人驚訝地洞察出量子世界和牛頓世界之間的差別。費恩曼對幹涉條紋如何在雙縫實驗中產生的問題極為好奇。回憶當我們在雙縫都打開發射分子時，發現的條紋不是我們做兩次實驗，一次只讓一道縫隙打開，另一次只讓另一道縫隙打開，所發現的條紋之和。相反地，當雙縫都打開時，我們看到一系列亮暗相間的條紋，後者是沒有粒子打到的區域。那意味著，如果比如講只有縫隙一打開時，粒子就會打到黑條紋的地方，而當縫隙二也打開時，就不打到那裡去。看來仿佛是粒子在從源到屏幕的旅途中的某處得到了兩道縫隙的消息。這類行為和在日常生活中事物顯示的行為方式徹底不同，在日常生活中一個球穿過一道縫隙的路徑不受另一道縫隙情形的影響。

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根據牛頓物理——如果我不用分子而用足球實驗運行的方式——每個粒子都獨自遵循著一條明確定義的路徑從源達到屏幕。在這個圖像中就沒有粒子在途中迂迴訪問每道縫隙鄰近的餘地。然而，量子模型卻說，粒子在它處於始終兩點之間的時刻沒有明確的位置。費恩曼意識到，人們不必將其解釋為這意味著此粒子在源和屏幕之間旅行時沒有路徑。相反，這可能意味著粒子採取連接那兩點的每一條可能的路徑。費恩曼斷言，這就是使量子物理有別於牛頓物理的緣由。在兩個縫隙的情形是要緊的，因為粒子不僅不遵循單一的明確的路徑，它取每一條路徑，並且同時取這些路徑。這聽起來像是科學幻想小說，但它不是。費恩曼構想出一個數學表述——費恩曼歷史求和——這個表述反映了這一思想，並重現了量子物理的所有定律。數學和物理圖像在費恩曼理論中和在量子物理的原先表述中不同，但預言相同。

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費恩曼觀念在雙縫實驗中意味著，粒子採取只通過一道縫隙或只通過另一道縫隙的路徑；還有穿過第一道縫隙，又穿過第二道縫隙返回來，然後再穿過第一道的路徑；訪問賣咖喱大蝦的飯館，然後在回來之前，圍繞木星轉幾圈的路徑；甚至穿越宇宙再返回的路徑。按照費恩曼的觀點，這就解釋了粒子如何得到關於哪道縫隙開放的信息——如果一道縫隙開放，粒子取穿過它的路徑。當兩道縫隙都開放時，粒子穿越一道縫隙的路徑會和穿越另一道縫隙的路徑發生影響，引起幹涉。這聽起來古怪，但就今日大多數基礎物理的目的——以及本書的目的——而言，費恩曼表述已經證明比原先的表述更有用。
費恩曼有關量子實在性的觀點對於理解我們即將表述的理論至為關鍵，因而值得花費一些時間去了解它如何運作。想像一個簡單的過程，一個粒子在某一位置A開始自由運動。在牛頓模型中那個粒子將會沿一直線運動。在以後的某個確切時刻，我們將會發現該粒子位於直線上某一確切的位置B。在費恩曼模型中，一個量子粒子體驗每一條連接A和B的路徑，從每個路徑獲得一個稱為相位的數。相位代表在一個波的循環中的位置，也就是該波在波峰或波谷，或者在它們之間某個確切位置。費恩曼計算那個相位的數學方法顯示，當你把從所有的路徑的波疊加在一起時，你得到粒子從A開始到達B的「概率幅度」。而概率幅度的平方給出粒子到達B的正確概率。

每條對費恩曼求和(也因此對從A走到B的概率)有貢獻的個別路徑的相，可被設想成具有固定長度但可以指向任何方向的箭頭。把兩個相位相加，你把代表一個相位的箭頭放在代表另一個的箭頭的末端，得到的新箭頭表示為和。要加上更多相位，你就簡單重複這個過程。請注意，當相位排列成行，代表總和的箭頭可以非常長。但是如果它們指向不同方向，當你將它們相加時，它們多半抵消，給你餘下的箭頭沒有多長。這個思想圖示於下圖中。

由不同的費恩曼路徑引起的效應可像波那樣相互加強或相互減弱。黃箭頭代表相加的相位。藍線非常短。

要用費恩曼方法來計算一個始於位置A終於位置B的粒 子的概率幅度，你得把連接A和B的每一路徑的相關相位或箭頭加起來。存在無限多的路徑，這使得數學計算有些複雜，但可以進行。上圖畫出一些路徑。

費恩曼理論給出一個特別清楚的圖像，顯示如何從量子物理產生一個牛頓世界的圖像，儘管前者似乎非常不同。根據費恩曼理論，與每一路徑相關的相位依賴於普朗克常數。理論指出，因為普朗克常數如此之小，當你把相互靠近的路徑作出的貢獻相加時，其相位通常劇烈地變化，這樣，正如上圖所示，它們多半相加為零。但是理論還指出，存在某些路徑，它們的相位具有排列成行的傾向，這樣，這些路徑是有利的；也就是說，它們對於粒子的被觀察行為做出較大貢獻。結果是，對於大物體而言，非常類似於牛頓理論預言的路徑一定具有相似的相位，而疊加起來對求和給出了最大的貢獻。這樣僅有的具有有效的大於零的概率的終點正是牛頓理論預言的那個，而該終點的概率非常接近於1。因此大物體恰如牛頓預言的那樣運動。

兩點之間的經典路徑是一直線，接近經典路徑的相位傾向於相互加強而離開它較遠的路徑的相位傾向於相互抵消。

【圖片說明】從A到B的路徑兩點之間的「經典」路徑是一直線，接近經典路徑的相位傾向於相互加強而離開它較遠的路徑的相位傾向於相互抵消。

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迄今為止我們討論了在雙縫實驗背景下的費恩曼觀念。在該實驗中粒子被射向帶有縫隙的牆，我們在置於牆後的屏幕上測量粒子結束行程的位置。更一般地說，費恩曼理論允許我們預言的不僅僅是一個單獨粒子，而且是一個「系統」 的可能結果，該系統可以是一個粒子，一組粒子，甚或整個宇宙。在系統的初始態和後來我們對其性質的測量之間，那些性質以某種方式演化，物理學家將其稱為該系統的歷史。例如，在雙縫實驗中，粒子的歷史就是它的路徑。正如對於雙縫實驗，觀察粒子到達任何給定的點的機會依賴於能把它弄到那裡的所有路徑。費恩曼指出，對於一個一般系統，任何觀察的概率由所有可能將其導致那個視察的歷史構成。正因為如此，他的方法被稱作量子物理「歷史求和」或者「可擇歷史」表述。既然我們對費恩曼的量子物理方法已經有了點感覺，現在該來研究我們將來要用到的另一關鍵的量子原理——觀測系統必然改變其過程的原理。我們難道不能小心地看著而不去幹預嗎，正如我們當導師在她的下頜上有點芥末時那麼做的?不能。根據量子物理，你不能「只」觀察某物。也就是說，量子物理承認，進行一次觀測，你必須和你正觀測的對象相互作用。例如，在傳統意義上去看一個物體，我們就把光照在它上面。把光照在南瓜上當然對它只有微小的效應。但是哪怕將一道微弱的光照射到極小的量子粒子——即把光子打到它上面——也會有可覺察的效應，而且實際表明它正好以量子物理描述的方式改變實驗結果。正如以前那樣，假定我們在雙縫實驗中向障礙發出一束粒子，並且在首批百萬個粒子通過時收集數據。我們畫出粒子到達不同的檢測點的數目時，這數據會形成在第55頁畫出的幹涉條紋，而且當我們將從粒子的出發點A到其檢測點B的所有可能路徑所涉及的相疊加起來，我們會發現我們計算的在不同點到達的概率和那個數據一致。現在假定我們重複實驗，這回把光照到縫隙上，這樣我們知道粒子通過的居間的點C(C是兩縫隙中的任一道的位置)。這叫做「哪條路徑」信息，因為它告訴我們每個粒子是

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從A通過縫隙一到達B呢，還是從A通過縫隙二到達B。由於我們現在知道每個粒子通過哪條縫隙，在我們為該粒子求和中的路徑現在只包含那些或通過縫隙一的途徑，或通過縫隙二的途徑。它將永不同時把通過縫隙一的路徑和通過縫隙二的途徑包括進去。因為費恩曼是這樣解釋幹涉條紋的，他說通過一條縫隙的路徑與通過另一條的路徑相干涉，因此如果你開燈確定粒子通過哪條縫隙，由此消除了其他的選擇自由，你就會使幹涉條紋消失。的確，當實驗在進行時，開燈使結果從第55頁上的幹涉條紋變成像第54頁上的條紋！此外，我們能夠利用非常弱的光去變更實驗，使得並非所有粒子都和光相互作用。在那種情形下，我們只對粒子的某一子集得到其走哪條路徑的信息。那麼，如果我們根據是否得到哪條路徑信息而把粒子到達的數據分開，我們發現，我們對之沒有哪條路徑信息的子集，其數據將形成幹涉條紋，而我們對之擁有哪條路徑信息的子集，其數據將不顯示幹涉。
這個觀念對我們「過去」的概念有重要的含義。在牛頓理論中，過去被假定是作為確定的事件系列而存在。如果你看到去年在義大利買的花瓶摔碎在地上，而你的學步小童羞怯地站立於旁，你可回溯導致災禍的事件：小小指頭鬆開，花瓶落下並撞在地上粉碎成千百片。事實上，給定關於此刻的完全數據，牛頓定律允許人們計算出過去的完整圖像。這和我們的直觀理解是一致的，不管痛苦還是快樂，世界都有一確定的過去。也許從未有人看到過，但是過去存在之確實，猶如你為它拍了一系列快照。然而，不能說量子巴基球從源到屏幕飛過了確定的路徑。我們可以因觀測巴基球而確定它的位置，但在我們觀測的空檔，它飛過所有的路徑。量子物理告訴我們，不管我們現在多麼徹底地進行觀測，(不被觀測的)過去，

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正如將來一樣是不確定的，只能作為一帶可能性譜系而存在。根據量子物理，宇宙並沒有一個單一的過去或者歷史。
過去沒有確定的形狀，這一事實意味著你現在對一個系統進行的觀測影響它的過去。物理學家約翰·惠勒想出一種稱作延遲選擇的實驗，該實驗相當出人意外地使上面的觀點引起注意。概括地講，延遲選擇實驗就像我們剛剛描述的雙縫實驗，只不過在那裡你有觀測粒子走過的路徑的選擇自由，而在延遲選擇實驗中，你一直推遲到粒子打到檢測屏幕前的那一瞬間再決定是否去觀測。
延遲選擇實驗得到的結果，和當我們由看縫隙本身選擇去注意(或不注意)哪條路徑信息而得到的結果一樣。但是在這個情形下，每個粒子採取的路徑——即它的過去——是在它通過縫隙之後很久才確定的，大概粒子在此前就應「決定」，它是否只穿過一道縫隙不產生幹涉，或者穿過兩道縫隙產生幹涉。
惠勒甚至考慮該實驗的一個宇宙學版本，涉及的粒子是從幾十億光年外的強大的類星體發射出來的光子。處於類星體和地球之間的星系的引力透鏡效應可把這種光分成兩條光路並朝地球重新聚焦。儘管當代技術做不了這個實驗，如果我們能從這光中收集到足夠的光子，它們應能形成幹涉條紋。但如果我們在檢測之前不久用一個裝置去測量哪條路徑信息，那個條紋就應消失。在這種情形下，走一條或雙條路徑的選擇應在幾十億年前，也即在地球甚至我們的太陽形成之前，就應該已經被做出了，然而我們在實驗室的觀測卻可以影響那個選擇。
在本章中，我們利用雙縫實驗闡述了量子原理。以下，我們會將量子力學的費恩曼表述應用到宇宙整體。我們將會看到，宇宙正如粒子一樣，並沒有一單個歷史，而是具有每一可能的歷史，每個歷史都具有自身的概率；而且我們對其現狀的觀測會影響它的過去並確定宇宙的不同歷史，正如同在雙縫實驗中觀察粒子會影響到粒子的過去。這個分析將指出，我們宇宙中的自然定律如何由大爆炸呈現。但是，在我們考察定律如何呈現之前，我們將稍稍涉及那些定律是什麼，以及它們引出的某些奧秘。

end.