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这本为庆祝著名理论物理学家约翰•惠勒90周岁生日而出版的文集，汇集了像惠勒教授一样*的科学家们对世界本质问题的*研究成果，如：宇宙是怎么来的？为什么世界是量子的？存在是什么？物质的本原是信息吗？……这些问题是我们愿意思考却又难以回答的。此书带我们了解有关世界本质的知识，也是我们了解神秘宇宙的一本珍典。

目录：

章  赫拉克利特之传承：约翰·惠勒及探索之痒

第二章  自然为什么要用量子理论来描述

第三章  它来自量子比特

第四章  波函数：实体还是信息

第五章  量子化的成因？实体来自信息？观察者和世界互动？——惠勒的三个深刻问题及相关实验

第六章  能说和不能说的，过去和未来

第七章  非局域“薛定谔之猫”：一个探索量子-经典边界的思想实验

第八章  关于量子力学，量子计算机能告诉我们什么

第九章  宇宙暴胀和“时间之箭”

第十章  宇宙学和永恒性

第十一章  平行宇宙

第十二章  量子引力论：结论和展望

第十三章  涌现：我们因此而生

第十四章  真正复杂性及其存在论

译后记

约翰·巴罗（John Barrow），美国天体物理学家，著名科学作家。2008年被皇家学会授予“法拉第奖”，他曾荣获“洛克天文学奖”和皇家格拉斯哥哲学学会开尔文奖章。

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第2章：自然为什么要用量子理论来描述（部分）

约翰·A. 惠勒喜欢问两个问题，一个是：“存在是怎么来的？”另一个就是：“量子是怎么来的？”（Wheeler 1998）个问题实在太难了，根本无从答起。因此，本文将试图回答第二个问题，也就是：“为什么要用量子理论来描述自然？”

这个问题的答案又会是什么样子的呢？也许我们能从历史中得到一些启示。17世纪，物理学家在面对着行星运动的开普勒定律时，可能和我们现在处境一样。应用开普勒定律，虽然可以经验地准确预言行星的运动，但这组定律却过于深奥，应用范围也太小，让人看不透“为什么”行星要这样运动。不久，牛顿指出，开普勒的三大定律，可以通过他的一套力学定律（牛顿三定律），加上万有引力定律推导出来。到这一步，物理学家才终于敢说，自己多少“理解”了行星的运动。当然，当时还有不少谜团并没有完全解开，牛顿自己也不理解：为什么万有引力可以超距作用，没有媒介怎么传递相互作用呢？

这个问题，直到爱因斯坦的广义相对论出现，才得到解答。历史上的另一个例子就是洛伦兹变换。洛伦兹告诉我们，麦克斯韦方程经过他的变换，形式不变。而与此相反，牛顿力学下，明明更直观的伽利略变换，却没有这种不变性。其实，这里洛伦兹变换的地位，就像前面的开普勒定律一样，非常实用，但是“为什么”自然要选择它们，而不是更简单的伽利略变换呢？要知道，如果要采用洛伦兹变换，就意味着会出现尺缩效应等反常现象。终，爱因斯坦回答了这个“为什么”的问题。他指出，洛仑兹变换完全可以由两条非常自然的原理推导出来，这两条原理即：物理定律在任何惯性参照系中都相同；光速不变性原理（光速和光源的速度无关）。这样一来，那些奇怪的尺缩现象也就显得好理解了。

这样的探索，给我们带来了莫大的满足。通过寻求更深刻、更合理的物理原理，我们觉得，那些原本神秘的物理现象，可以理解了。这种探索，不仅仅在于试图建立表现自然的数学规则，还在于所寻求的是更为基本的原理，从而阐述自然深刻、合理的规律。

然而，物理学的进步，不仅仅给予了我们理解世界的满足感（虽然这种感觉也挺重要的），更重要的是，新的理论能在更大的范围内适用，并能给出更精确的预测。过去的经验表明，对已有的，物理背后深层原理的探求，能够促使新理论的诞生。从开普勒定律到牛顿运动学，然后到狭义相对论，再到广义相对论，物理学的发展历程，多次雄辩地证明了这一点。而这又更加激发了我们探索量子力学背后的深层原理的热情。

本文中，我们要讨论量子力学。当前的量子理论，包含了一套形式算符体系。比如，态由作用于复希尔伯特空间中的一个正定算符表示，态的演化由一个幺正算符的作用表示，而概率可以用求迹法则来计算。和行星运动的开普勒定律、洛仑兹变换一样，这些数学规则同样抽象，而且只能针对某个具体问题。但我们需要的是，一个更基本的量子原理，从中不但可以推导出现有的定律，而且还有可能像以前的基本原理一样，给人新的启示。我们希望它简单直观，让现在各种反直觉的量子效应得到一个合理的解释；我们还希望它的出现能进一步推动量子力学的发展（比如得到量子引力理论）。当终找到了那个根本原理的时候，我们就能说，我们已经回答了惠勒教授“量子是怎么来的”这个问题。

在深入这些问题细节之前，我们先来看看量子理论到底是一门什么样的科学。量子理论应用广泛，然而它的根本却在概率的计算，也许把它称为量子概率论更为准确。因此，量子理论的前身并不是人们通常认为的经典力学，而应该是经典概率论。由于不管哪一种概率理论都适用于各种问题（比如丢硬币问题、骰子问题、统计力学和统计光学），显然我们不能以应用的领域（是力学、光学还是电磁学）来区别经典和量子概率论，这两者的区分要取决于某种更基本的原理。事实上，这两种概率理论都属于同一种数学理论。本来，经典概率论就一直被当作数学，而不是物理课程来讲授。而把量子概率论归入物理的一部分，那是由于，量子物理的发展恰好揭示出经典概率论不再适用的地方，从而导致了新的概率论——量子概率论的诞生。但实际上量子理论（量子概率论）和量子物理的关系，与经典概率论和经典物理的关系是一样的，量子理论和经典概率论都是某种元理论（meta-theories）。明白了量子理论和经典概率论的不同，或许就能问答惠勒教授的问题。下面我们就来说明这一不同。

我们将回答惠勒教授的问题：“量子是怎么来的？”我们会给出量子理论的5条公理，从而推导出离散希尔伯特空间的量子理论。这5条公理不但显得简单合理，而且其中4条在经典概率论和量子概率论中都是成立的。量子概率论和经典概率论的不同，仅仅是余下的一条公理引起的，这条公理就是，任意两个纯态之间存在连续可逆的变换，正是这一“连续”的概念导致了量子论的产生。这些工作首先发表于哈代（ Hardy 2001，亦见 Hardy 2002），这里我们只摘要出主要论点，证明的细节请参见Hardy 2001。

探讨量子理论起源和结构的文章有很多1。这其中的很多文章是从量子逻辑的角度，试图从建立测量（当作逻辑命题）之间的逻辑关系出发，构建量子理论。

近年来，受到惠勒教授的问题的启发，许多人试着从合理的基本假设来推导量子理论，其中福斯（ Fuchs 2002）和策林格（ Zeilinger 1999）的论文很有意思，值得一读。

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约翰·惠勒是20世纪很有影响的科学家之一，“黑洞”这一术语就是惠勒教授提出来的。

惠勒的研究为20世纪下半叶的物理学发展勾勒出了方向，他在探索世界真理的过程中表现出了恢宏气度。

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书籍介绍

这本为庆祝著名理论物理学家约翰•惠勒90周岁生日而出版的文集，汇集了像惠勒教授一样顶尖的科学家们对世界本质问题的最新研究成果，如：宇宙是怎么来的？为什么世界是量子的？存在是什么？物质的本原是信息吗？……这些问题是我们愿意思考却又难以回答的。此书带我们了解有关世界本质的知识，也是我们了解神秘宇宙的一本珍典。