没有空间，没有时间，没有粒子：量子现实的激进愿景

许多人都将量子力学的诞生地点确定为赫尔戈兰岛这个没有树木的小岛，1925 年夏天，年轻的沃纳·海森堡 (Werner Heisenberg) 曾到过那里。在那里，他勾勒出基本原理，后来成为我们解释现实的最出色、最成功的方式。他的方法的核心是决定只关注观察者在测量粒子时会发现什么。

这是天才的灵光一闪，但它也让物理学家们纠结了 100 年。很多麻烦都归结为关于什么是观察者以及观察到底是什么的问题。我们是否应该相信现实在某种程度上取决于我们对它的观察？

我相信现在是摆脱这种形而上学混乱的时候了。我职业生涯的大部分时间都在思考量子理论，并且我开始相信我们不需要观察者——谈论他们是没有意义的。我现在想与大家分享一种更加一致和合理的方式来描述量子世界，以及可以证明我的观点的三个令人信服的实验。

在我看来，虽然这个框架具有很多逻辑意义，但它把我们带入了陌生的领域。不仅观察者不存在，粒子也不存在。还有空间和时间？好吧，我们会找到他们的。诚然，这些都是深水区，但值得涉水，因为当我们这样做时，我们会发现可能超出我们所知的量子理论的线索。

首先，让我们简单地了解一下现代物理学及其所造成的问题。早在量子力学出现之前，观察者就是物理学的一个关键原则：事实上，他们在阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论的发展中发挥了至关重要的作用。后一种理论认为，空间和时间在时空结构中融合在一起，正是这种结构的弯曲产生了重力。稍后我将挑战这一观点，但最初想法的一个含义是，在时空曲率不同的地方的观察者将体验到以不同的相对速度流逝的时间。

当我们教授相对论时，我们经常这样谈论观察者，把他们想象成人。但事实是，任何运动物体（甚至是原子）所经历的时间都会随着不同引力场中的物体而变化。这些差异不需要通过观察来记录，因此我们不需要特殊类别的“观察者”。

广义相对论是现代物理学两大支柱中的第一个，另一个是量子理论 本身。该理论的本质是，现实在最基本的层面上被划分为离散的块。例如，当原子吸收或释放能量时，它会以一定大小的包的形式发生，而不是连续的。但观察者也融入了量子理论，因为它区分了“观察”之前和之后的粒子。事先，我们使用波函数来描述它们，波函数是一个列出一系列可能属性的方程——叠加。之后，这被称为“崩溃”到一个特定值。

问题是，这会引发各种各样的问题，其中最基本的是崩溃是如何以及为何发生的。它还产生了悖论，例如物理学家尤金·维格纳（Eugene Wigner）几十年前梦想的维格纳的朋友。他想象一个“朋友”在一个密封的实验室里进行量子测量，而他自己则在外面等待。当我们比较两个人对现实的描述时，问题就来了。维格纳没有观察到任何东西，所以整个实验室都是用模糊波函数来描述的。然而，对于他的朋友来说，有一个明确的结果。面对这个悖论，维格纳问我们如何知道观察结果何时变得确定。

一些物理学家认为我们需要调整量子理论 来处理这一切。但不是我。为了解释我的想法，我们需要掌握纠缠现象，埃尔文·薛定谔称之为量子理论的“特征”。量子纠缠通常被认为是神秘的，但它实际上只是两个量子物体之间的特殊联系，这样当你测量一个物体时，你就会立即了解另一个物体的属性。关键是：当我们谈论“观察”时，在我看来，我们真正指的是两个系统相互纠缠的那一刻。尽管被纠缠的对象可能是一个人——一个“观察者”——但事实并非如此。

让我举个例子。有一个著名的实验，其中叠加的光粒子或光子穿过屏幕上的两个狭缝 同时，当它到达第二个屏幕时会产生干涉图案。但如果我们观察光子穿过哪个狭缝，则不会发生干涉。在你得出我们的观察使叠加态崩溃的结论之前，请记住，如果我们以揭示光子所用狭缝的方式将任何其他东西与光子纠缠，我们会得到相同的效果。

所以我们应该停止谈论“观察者”，而应该谈论纠缠。顺便说一句，这种观点也解决了维格纳提出的悖论问题。不存在“最终”观察者——根本不存在观察者。真正发生的是系统和观察者（只是另一个系统）变得纠缠在一起。

我希望你从这一切中得到的是，量子理论已经包含了我们理解现实所需的一切。我们只需要认真对待它的全部含义——即使它们看起来很奇怪。那么，现在让我们从物理学的一个中心思想开始探索这将我们带向何方：粒子。

粒子的不真实性

为了解决这个概念，我们首先需要处理的是字段。场是一个无处不在并随时间变化的实体，这个想法最初由迈克尔·法拉第在 19 世纪上半叶提出。^th 世纪。在经典电磁场理论中，电场和磁场值是称为 c 数的普通（或经典）数字，如 5 米。空间中的每个点都分配有三个电场编号和三个磁场编号。

在量子理论中，我们讨论的是量子场，其中空间中的每个点不是用单个数字来描述，而是用数字表来描述。这些表称为量子数或 q 数。这就是为什么很多人把海森堡1925年的论文视为量子物理学的开端：他是第一个提出将粒子的位置和动量升级为 q 数的人。 c 数和 q 数之间的差异很简单，但意义深远——我们稍后会再讨论。

然而，并不是每个人都准备好认真对待量子场的全部含义。当物理学家采用经典电磁场并将其量子化时，这意味着该场可以以比以前更多的模式振荡。在量子场中，有四种模式，理论预测该场应该能够在每种模式中表现为粒子（在本例中为光子）。但奇怪的是：我们只能在其中两种模式下检测到光子。另外两个相互抵消，即使在原则上也是无法检测到的。因此，这些“幽灵”光子是不可观测的，但却是不可避免的。

哲学上令人不安？也许。但这并不罕见。许多科学都是这样运作的。我们假设一些事物，因为如果没有它们，理论的解释力就会崩溃。

我认为我们不应该将这些奇怪的现象隐藏起来，而应该拥抱它们。基亚拉·马莱托我和我在牛津大学的同事建议，即使这些幽灵无法被直接探测到，但它们在某些情况下应该会与电子纠缠在一起，而且这种纠缠原则上是可以被探测到的。正如我们在 2023 年论文中所述，你可以通过将电子置于叠加态来做到这一点，那么，如果我们是对的，它应该与幽灵纠缠在一起，并且通过正确的仔细测量可以检测到这一点。这是一项具有挑战性的实验，但肯定是现有技术可以做到的。这相当于看到鬼魂的量子效果。

如果这个实验表明这些幽灵可以像我完全预料的那样纠缠在一起，那意味着什么？我们通常认为能够纠缠的最基本的东西是粒子。但鬼魂不能真正被视为粒子。事实上，它们只是方程中的 q 数。但对我来说，这正是重点。最基本的是 q 数，而不是人类概念中的“粒子”。恰巧粒子有 q 数，这误导我们认为前者是现实的基本元素，而实际上是后者。

还有另一层复杂性强化了我的论点：粒子不是真实的。让我们考虑一个单独的粒子，比如电子。用普通量子理论的语言来说，我们会说，在我们测量这个粒子之前，它处于状态的叠加状态。它既在这里也在那里，并且两种可能性都由 q 数描述。但现在改变你的观点。如果q数是现实的本质，那么这两个q数可以相互纠缠。换句话说，你可能会说处于叠加状态的粒子可以“与自身纠缠”。

并非所有物理学家都会接受这是可能的，但 15 多年前，我提出了一个实验 可以确定真相，这次是和我的同事雅各布·邓宁汉 (Jacob Dunningham)，现就读于英国苏塞克斯大学。取一个粒子并使其状态离域，使其处于两个不同物理位置的叠加中。要通过实验验证叠加是否纠缠，您需要在两个不同位置进行单独测量，并检查它们是否违反贝尔不等式，纠缠的标志。

已经有一些证据表明这种单粒子纠缠的发生。比约恩·赫斯莫 (Björn Hessmo) 进行的实验 2004 年，瑞典 KTH 皇家理工学院的教授和他的同事证明，单个光子在两个位置之间分裂确实违反了贝尔不等式。换句话说，光子并不是现实的基本元素——重要的是它们的 q 数。尽管如此，光子是无质量的，而且还没有人用具有质量的物体（例如原子甚至更轻的电子）做到这一点，因为这些实验具有挑战性。但毫无疑问，我认为结果会是一样的。

空间和时间是真实的吗？

现在我们准备讨论空间和时间。有些人认为这是物理学的最后前沿，它与该领域最大的开放问题相关，即将物理学的两大支柱——广义相对论和量子理论——结合成量子引力理论。。由于到目前为止我一直认为我们应该将一切视为由 q 数组成，因此您可能会预期空间和时间也应该是量子的。事实上，许多研究人员都这么认为。

但在这里我采取更激进的观点：空间和时间根本不存在。就像“观察者”一样，它们是方便的标签——记账设备——但没有与它们相对应的物理实体。因此，量子化引力并不意味着量子化时空，而是像量子化其他场一样量子化引力场（将爱因斯坦的c数升级为q数）。

这似乎是一个微妙的点。毕竟，在广义相对论中，引力场被认为只不过是弯曲时空。但这就是我对事物进行扭曲的地方：弯曲的不是空间或时间，而是像电磁场这样将所有物质结合在一起的场。原子、分子、时钟和尺子都受到电磁力的束缚。引力场的作用是耦合到这些场并告诉它们如何弯曲。为了方便起见，我们将这些场放置在我们称为时空的隐形网格上。这很好，但我们不要自欺欺人地认为时空是根本。

我的一些同事可能认为这相当极端，我承认目前很难想到任何实验可以证明我是对的。但对我来说，这都是从表面上理解量子理论的一部分。我建议引力应该像任何其他量子场一样。

所以：没有粒子，没有空间，没有时间。相反，我认为自然的基本成分是q数。最后，让我们探讨一下充分接受这一原则如何引导我们获得新的见解。我要说的内容让人想起哲学家伯特兰·罗素（Bertrand Russell）的宇宙学讲座，被一位与会者打断，他声称宇宙是在一只巨大的宇宙乌龟的背上承载的。当拉塞尔问她海龟站在什么上面时，她回答说：“一直下来都是海龟！”我的建议是类似的，尽管不涉及海龟。

当我们谈论量子场如何相互作用时，我们使用一种称为量子哈密顿量的数学原理。长期以来，这些哈密顿主义者将 q 数与普通的 c 数混合在一起，例如光速或电子电荷等物理常数，这一直困扰着我。这是惯例，但对我来说似乎不太合适。在过去一个世纪左右的时间里，物理学家将经典方程转化为量子方程。但是，如果我们的方程完全是量子的，这不是更简洁吗？本着我一直信奉的哲学精神？

我不是第一个有这样想法的人。 20 世纪 80 年代，物理学家 David Deutsch 提议完全消除 c 数，将量子哈密顿量中的所有量变成 q 数。然而，这样做会产生奇怪的后果。让我们只考虑其中一种可能性并看看光速，我们目前将其视为一个简单的 c 数。如果我们把它变成一个 q 数（记住，它总是描述量子场中的一个点），这将意味着存在一些与光速相关的新量子场。这有点像当我们量化电磁场并得到那些讨厌的幽灵时所发生的事情，这表明现实比我们想象的要多。

这个总体想法可以进行实验。如果那里存在额外的量子场，粒子应该能够与它们纠缠在一起。例如，想象一下，你最大限度地纠缠了一个原子和一个光子。如果存在另一个场来调解这种相互作用，它应该加入其中并创建一个三体纠缠系统。结果将是光子和原子之间的纠缠强度将比预期弱。 2022 年，吉姆·弗兰森 马里兰大学巴尔的摩分校提出了一种检测这种纠缠的方法 – 它在概念上与我想象的检测鬼魂的实验非常相似。到目前为止还没有人做到这一点，但在技术上是可能的。

原则上，我们可以想象将量化提升到更深的水平。 Q 数字是数字表，您可以轻松地将这些表中的所有普通数字“升级”为 q 数字本身，然后再次执行相同操作。表的表的表。从这个角度来看，它不是海龟，而是 q 数，一直向下。

哲学家讨厌无限倒退。但大自然没有义务尊重我们的哲学顾虑。宇宙可能只是一个无底洞，为物理学家提供了取之不尽用之不竭的奥秘。