据量子论，只有一个外在的观察者才能应用量子力学来描述一个物理系统，那么我们如何感知量子宇宙呢？

盯着你手中的这本《新科学家》，然后把它放在桌上，闭上你的眼睛，过上10秒再睁眼，这本杂志将仍在桌上，但若你不去看它，此杂志是否仍在桌上呢？

若你从来也没有遇到过奇异的量子世界，你将认为，“当然，这本杂志仍在那里，它的行为并不取决于你对它的看或不看。”但量子力学说，物理系统的行为，跟它们被观察或不被观察大不一样。这一理论以及它所暗示出的观测宇宙的方法，使物理学家和哲学家争论了60年。据量子论，若我们欲描述一个物理系统，我们必须处于其外，因为在测量中，我们以一种微妙的途径与其相互作用，以致在过程中改变了它的量子力学态。那么我们能在这种情况下来描述宇宙吗？因为我们无法走出宇宙。—些物理学家认为，要想绕过这一困难的一个办法，可能是采取胱散过程。在我们考虑胱散之前，有必要谈论一下隐藏在量子力学世界中的奇异现象。

要了解这一奇异，让我们看一下，当我们对一个物理系统从经典物理转入量子论来描述时，会产生什么情况。假设有一个球在一瞬间从A点抛出，经10秒到达3点。按经典物理，利用牛顿定律，若我们已知加在球上的力，那么我们可确切地计算出球从A至B的途径。我们甚至可算出球在飞行中的任一瞬间位置和速度。

而在量子论用以解释不服从牛顿力学的基本粒子和原子的行为中，情况大不一样，这是与微观世界的特性有关的。在量子论中的一个基本原理是，我们不能同时确定粒子的位置和速度。若我们的“球”是亚原子粒子，我们已知其给定瞬间的精确位置，那么它在此瞬间的速度，我们却全然不知。因此我们无法知道下一个瞬间它在何处。

概率是关键

量子力学十分明确地排除了用给定的途径来描述粒子运动的可能性，因此不是用单一的途径把A和B连接起来，我们现在知道，我们必须处理连接两点的所有可能的途径。故有某个机会，粒子在所有可能途径中穿过某一特殊的途径。量子力学对每一条途径指定一个所谓“概率幅度”，计算这一幅度的规则可在量子力学的数学描述中找到。

用概率来描述物理世界是量子力学的中心。又如，关于电子枪放射出的一粒电子的旋转态。量子力学告诉我们，电子沿任何规定的方向旋转。例如垂直方向，并用数值+（1/2）表示向上，-（1/2）向下，我们无法知道，当电子枪放射电子时，它究竟处在哪一个态。我们只能说，它有某个“向上转”（用lup>表示）的机会。或某个“向下转”（ldown＞）的机会。这两个态在量子力学的数学描述中都是允许的，但它们绝不是唯一的态。量子力学方程允许这两个基本量子态的几种结合，例如，lup＞+lDown＞。在这里我们不能赋予此电子以确定的态，因为两种态（向上和向下）都作出贡献。

1992年，在罗斯托克大学工作的斯戴恩（O. Stern）和格拉奇（W. Gerlach），设计了一种测量电子旋转的实验，他们（以后，还有其他人）发现，测量结果将永远给出+（1/2），若电子处在lup>态；-（1/2），则处在ldown＞态，如果处于像lup>和lDown>这样的结合态，那将测出什结果？那将是，有时为+（1/2），有时为－（1/2），但真正令人吃惊的（物理学家不久也发现的）是，若他们测量一电子的旋转，并发现它处于+（1/2）态，以后再测量其旋转，他们发现，它以后一直是+（1/2），永不会－（1/2）、换言之，第一次的测量，不知如何地改变了该电子的复杂的初始态，而使其一直处于lup>态。观察或测量的行为以某种十分特殊的方法干扰了量子系统。至于其他的量子测量情况也类似。假定电子可选择两条运动路线，我们设法使其选定某一条路线，并采取一系列复杂的设计。以测定该电子是否通过这一特殊的路线。若我们此般行事，我们将看到，电子确实通过某一路线——电子的行为依赖于我们的观察与否。

这一结果似乎是奇怪而又违反直觉，但在1970和1980^代，它为研究者无数常规的实验所证实。这些实验表明，系统的发展确与观察有关，这就提出了一个深刻的哲学问题：在被观察系统必须被认定与探测器械相隔开的情况下，我们如何感知真实。在基本水平上，这两者皆受同一物理定律的制约，但若我们人为地把物理系统分割成被观察部分和进行观察的仪器，那就会出现一些理论上的困难。一个说明这种困难的最佳例子就是“薛定谔猫”。

这一例子的内容大致是：想象一个全封闭的房间，内放一只猫和一只藏有毒气的装置，此装置由放射性原子的衰变来触发，这涉及到在微观尺度上的物理相互作用。当发生衰变时，装置被触发，释放出毒气，猫立即被杀死。

在某一给定时间，我们让立这一系统，并在晚些时候问，“此猫现在是活？是死？”这相等于问，放射性原子是否“衰变”，这是一个量子力学的问题。指定10>和11>各为原子的“衰变”或“不衰变”的量子态。这些态类似于先前谈过的电子旋转的lup＞和Idown>态。事实上对原子来说＞它有某个衰变机会也有某个不衰变机会。换言之，系统的量子态是10>和11>的结合。对猫来说也如此，它死活并存，处于一种混合态，这可从直觉的显态（在此情况中，是“死态”和“活态”）的“线性重叠中”看到。

量子态的塌缩

但是你曾见到过这种状态的猫吗？不，当我们进入大系统，诸如猫，我们几乎从未见过处于这种古怪的结合态。再看另一例子，量子力学允许一个台球处于位置A（IA＞态），或另一位置B（IB＞态）。但它还允许这个台球处于一种既在这里又在那里的态（IA＞+IB＞）。麻烦就在这里，对宏观物体来说，真实世界中从未见过这种状态，即使如此，它们在量子力学中却是十分合理的。但为何我们未能见到这种情况呢？

量子力学的一般诠释对此未有较多的说明，这一诠释有赖于所谓“量子态的塌缩”这一假设。其中心思想是这样的，对猫的测量，使得系统（猫）“跳入”被测量仪器所选择的某个态。例如，台球在未受到观察之前一直可能处在IA＞+IB＞态，但是在我们企图测量其位置的那一时刻，它的态就变成要末IA＞或IB＞态。换言之，我们找到台球在A或B的位置上，具有50/50的机会，而没有一种观察能看到它处于结合态。密封箱中猫的情况也如此。当我们开箱窥视其中，对猫的观察，将使得态变成要么“死”或“活”。

这般诠释主要取决于外在的测量手段。由于我们总是对测量结果给予肯定，而这种肯定性，只是在测量手段服从经典物理定律以及处理宏观水平的系统时才有效，且最终的测量器械是人类的大脑，它在记录过程的任何系列中起作用，并以分析告终。这一人为的、把物理系统分成经典的观察者和量子力学主体的做法，是上述诠释最不能令人满意的地方。甚至在1930年代，量子理论的早年时代，诸如玻尔、海森堡、波恩和爱因斯坦，皆为此而争论，但未能找到一个满意结论。

宇宙的矛盾

但在很多情况下，物理学家为这些哲学性的结果忧虑，理由是很简单的。虽然这些结果在根本性的水平上是很重要的，但它们并不影响任何计算结果。对物理系统所作的量子力学的实际应用，在这些问题上并未受到缺乏答案之苦，直到物理学家发展一门有关宇宙的量子理论时，才遇上了麻烦。

宇宙最显著的特征是它一直在膨胀，天文学家+察表明，遥远的星系正在飞离我们，并以一种星系愈远跑得愈快的速度相互分离。对这样一个宇宙可能构出一个数学模型。弗利得曼模型说明了宇宙的膨胀，并跟一些观察实验吻合得很好。

但是，我们今天看到宇宙一直在膨胀的这一事实，意味着过去它曾是较小、较密实、较热。利用弗利得曼模型，我们能从宇宙现在的行为推溯到过去。这一推溯可很好地一直到一个点，但当我们在时间上往回退时，我们势必跟一个在尺度上日益缩小的宇宙打交道。而弗氏模型是建立在爱氏相对论的基础上的，这是一个经典理论，它不考虑任何量子效应，当宇宙真的进入微观尺寸时，量子效应变得重要起来，而爱氏方程失去了有效性。若我们用爱氏方程向这一点外推，最终得出一个所谓“奇点”的数学谬论。在一个数学奇点上，诸如密度、温度那样的物理参数皆变得无限大，而宇宙的尺寸变得无限小——这一事件人们熟知为“大爆炸” · 要了解宇宙甚小时的行为，我们需要一个具有量子论原理的宇宙学模型。

早在1960年代就有发展宇宙量子论的尝试。其中较著名的有伯林斯顿约瑟夫亨利实验室的惠勒（J. Wheeler）、奥斯汀大学的第惠特（B. Dewitt）和马利兰大学的密斯纳（C. Misner），他们得出了一个意外的二难推论。量子力学的常规解释是跟一个存在于被观察系统之外的观察者相关的，量子力学的正常规则仅在这种情况中有效，但我们如何来研究一个全部包含在内的、在它之外被定义为空无一物的量子宇宙呢？更有甚者，我们还得研究它在比原子还小时的情况。欲了解量子宇宙，我们需要重新阐述量子理论，使我们能免去外在观察者的概念，哲学性的观点变成了实际需要。

十分明显，这是能做到的。一些研究者——海得堡大学的兹赫（D. Zeh）和琼斯（E. Joos）、苏黎世理论物理学院的开佛（C. Keifer）、麻省理工学院的海立惠（J.Halliwell）、洛斯阿拉莫斯国家实验室的祖立克（W. Zurek）和本人——在1980年代认识到有一种称之胱散的物理过程，它能使得微观系统具有经典性的行为：这就是像我们所期望的在实验中看到的行为。胱散解释了为何在我们处理大系统时看不到量子论的古怪特征。

欲知这过程的运行情况，我们回过来看一下薛定谔猫吧。为何从未见过活和死结合态的猫？为何我们从未见过一个在空间没有确定位置的台球？欲了解这一点，就得深入明了态的意义。一个真实的量子力学客体（如氢原子中的一粒电子）的态，能用很少的几个“自由度”来说明。事实上只需3个这种自由度来说明氢原子中的一粒电子的态，若我们略去自旋（这类似于我们用8个坐标来描述一粒电子在空间的位置）。

对于一粒用2个氢原子构成的氢分子来说，我们需更多的参数，每个原子中电子的态各用3个自由度描述，更多的自由度来描述2原子的相互作用。一般来说，系统越大，用来描述量子力学态的参数越多，一个具有N个粒子的系统约需3 N个参数来完整地描述其态。一只重为1公斤的猫，其身体具有10²⁶个原子，你就需3 ×10²⁶个独立的参数去完整地描述此猫的态。此般描述纯属量子力学，它将告诉你有关猫的每个情况。但这样的尝试简直是疯狂。当你想到坐在房间角落的一只猫，你用很少几个参数就够描述它了。换言之，一只猫有几个可能的量子态，这对我们很好地描述“有一只猫坐在房间角落”的情况是行得通的。

这个事实（在实践上，我们用比描述量子力态少得多数据即可）极大地改变了描述过程。若我们首先发展一个有关一只猫的完整的量子理论，进而可忽略全部参数（或自由度），我们就不会有测量上的麻烦。这在原则上通过一种由温格纳（E. Wigner）及其他学者于1930年代提出的、称之为“密度矩阵”的设计在数学得到解决。这样的计算表明不可见自由度的效应使得系统的行为带有经典性，这也正是我们所期望的行为。

故在经典系统与量子力学系统之间没有根本的差异。当我们开始越多地忽略系统的内部参数，该系统的行为就越变得经典性。这一理论提示出，若我们能设计一种测量描述一只猫的全部参数的实验，我们会发现，这只猫的行为就像一粒电子那样具有量子力学的性质，并处于一种死和活的结合态中。

测量猫尾

就猫而言，我们把整套参数分成二部分，一部分是我们能观察到的，另一部分为不可见的。这种分法是十分任意的，仅凭我们要测量的东西。例如，我们可选择测量猫尾的长度，或者，我们也可忽略它。理论家把不可见自由度（诸如一无法测量的尾巴）称为“环境”。有时我们研究的系统不能视为真正孤立的系统，因为它与环境有微弱相互作用或耦合。例如猫的尾，确在某种范围内与猫相互作用。在这种情况下，若我们不考虑与环境的关系，我们对系统就不能作完整的解释。但通常我们无法完整地观察和描述环境的量子态，这意味着我们不得不忽略一些参数，严格地说，它们是系统描述的组成部分。

这把我们带回到如何观察量子宇宙的问题。当我们企图对宇宙作量子描述时，就十分自然地出现了不可见自由度的概念。我们将需多得难以置信的数据来完整地描述宇宙的量子态——数据是如此之多，以致在原则上还弄不清楚，是否能取得并确定它们。实际上，我们离开所需数据还远着呢。似乎量子宇宙及其环境大部是不可见的。忽略这些自由度，使得系统的行为类似于经典性。

在环境中不可见自由度的存在，抑制了量子力学的干扰，使得宇宙的行为具有经典性。这就是胱散过程。更有甚者，胱散直接跟这一事实相关，即经典系统是“大”系统。事实上，系统所展现的经典行为程度将直接跟其尺寸有关。

在过去的4年中，加州理工学院的齐尔旻（M-Gell-Mann）和加利福尼亚大学的哈特（J. Hartle），为了解宇宙演化而成为试图发展这些思想的研究者中的一员。他们研究表明，在我们宇宙的可见经典特性中，胱散起着关键性作用。原则上，宇宙的量子力学描述必考虑宇宙的全部可能的过去历史。齐尔曼和哈特发现，只有这些不同历史的一个片断将具有经典行为。在确定如何把可接受的经典历史挑出来的问题上，胱散过程似乎起着关键作用。看来我们宇宙的行为像一只大型薛定谔猫。

[New Scientist，1992年10月10日]