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。

约翰·巴罗、保罗·戴维斯、小查尔斯·哈勃编的《实在终极之问》讲述了宇宙、量子、信息、实在、涌现……对世界最深刻问题的探究！宇宙是怎么来的？量子是什么？为什么世界是量子的？存在是什么？物质的本原是信息吗？世界是为人创造的吗？……这些问题是一些愿意思考的人不能回避又难以国答的。

约翰·巴罗、保罗·戴维斯、小查尔斯·哈勃编的《实在终极之问》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。

第1一章 赫拉克利特之传承：约翰·惠勒及探索之痒

第2章 自然为什么要用量子理论来描述

第3章 它来自量子比特

第4章 波函数：实体还是信息

第5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6章 能说和不能说的，过去和未来

第7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8章 关于量子力学，量子计算机能告诉我们什么

第9章 宇宙暴胀和“时间之箭”

第10章 宇宙学和永恒性

第11章 平行宇宙

第12章 量子引力论：结论和展望

第13章 涌现：我们因此而生

第14章 真正复杂性及其存在论

译后记

第2章：自然为什么要用量子理论来描述

约翰·A.惠勒最喜欢问两个问题，一个是：“存在是怎么来的？”另一个就是：“量子是怎么来的？”（Wheeler 1998）第一个问题实在太难了，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。最终，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，从而阐述自然最深刻、最合理的规律。

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）。当最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。

P22-25

一个坠落苹果的两面：极端智慧与极致想象

龚曙光

2017年9月8日凌晨于抱朴庐

连我们自己也很惊讶。《第一推动丛书》已经出了25年。

或许，因为全神贯注于每一本书的编辑和出版细节，反倒忽视了这套丛书的出版历程。忽视了自己头上的黑发渐染霜雪。忽视了团队编辑的老退新替，忽视好些早年的读者，已经成长为多个领域的栋梁。

对于一套丛书的出版而言，25年的确是一段不短的历程：对于科学研究的进程而言。四分之一个世纪更是一部跨越式的历史。古人“洞中方七日，世上已千秋”的时间感，用来形容人类科学探求的速律，倒也恰当和准确。回头看看我们逐年出版的这些科普著作，许多当年的假设已经被证实。也有一些结论被证伪：许多当年的理论已经被孵化，也有一些发明被淘汰……

无论这些著作阐释的学科和学说，属于以上所说的哪种状况，都本质地呈现了科学探索的旨趣与真相：科学永远是一个求真的过程，所谓的真理，都只是这一过程中的阶段性成果。论证被想象讪笑，结论被假设挑衅。人类以其最优越的物种秉赋——智慧，让锐利无比的理性之刃，和绚烂无比的想象之花相克相生，相否相成。在形形色色的生活中。似乎没有哪一个领域如同科学探索一样，既是一次次伟大的理性历险。又是一次次极致的感性审美。科学家们穷其毕生所奉献的。不仅仅是我们无法发现的科学结论，还是我们无法展开的绚丽想象。在我们难以感知的极小与极大世界中，没有他们记历这些伟大历险和极致审美的科普著作，我们不但永远无法洞悉我们赖以生存世界的各种奥秘。无法领略我们难以抵达世界的各种美丽，更无法认知人类在找到真理和遭遇美景时的心路历程。在这个意义上，科普是人类极端智慧和极致审美的结晶。是物种独有的精神文本，是人类任何其他创造——神学、哲学、文学和艺术无法替代的文明载体。

在神学家给出“我是谁”的结论后。整个人类，不仅仅是科学家，包括庸常生活中的我们，都企图突破宗教教义的铁窗，自由探求世界的本质。于是，时间、物质和本源，成为了人类共同的终极探寻之地，成为了人类突破慵懒、挣脱琐碎、拒绝因袭的历险之旅。这一旅程中。引领着我们艰难而快乐前行的，是那一代又一代最伟大的科学家。他们是极端的智者和极致的幻想家，是真理的先知和审美的天使。

我曾有幸采访《时间简史》的作者史蒂芬-霍金，他痛苦地斜躺在轮椅上，用特制的语音器和我交谈。聆听着由他按击出的极其单调的金属般的音符。我确信，那个只留下萎缩的躯干和游丝一般生命气息的智者就是先知。就是上帝遣派给人类的孤独使者。倘若不是亲眼所见。你根本无法相信。那些深奥到极致而又浅白到极致。简练到极致而又美丽到极致的天书。竟是他蜷缩在轮椅上。用唯一能够动弹的手指。一个语音一个语音按击出来的。如果不是为了引导人类，你想象不出他人生此行还能有其他的目的。

无怪《时间简史》如此畅销！自出版始。每年都在中文图书的畅销榜上。其实何止《时间简史》，霍金的其他著作，《第一推动丛书》所遴选的其他作者著作。25年来都在热销。据此我们相信。这些著作不仅属于某一代人。甚至不仅属于20世纪。只要人类仍在为时间、物质乃至本源的命题所困扰，只要人类仍在为求真与审美的本能所驱动，丛书中的著作，便是永不过时的启蒙读本，永不熄灭的引领之光。虽然著作中的某些假说会被否定，某些理论会被超越。但科学家们探求真理的精神，思考宇宙的智慧。感悟时空的审美，必将与日月同辉，成为人类进化中永不腐朽的历史界碑。

因而在25年这一时间节点上，我们合集再版这套丛书。便不只是为了纪念出版行为本身，更多的则是为了彰显这些著作的不朽，为了向新的时代和新的读者告白：21世纪不仅需要科学的功利，而且需要科学的审美。

当然，我们深知，并非所有的发现都为人类带来福祉，并非所有的创造都为世界带来安宁。在科学仍在为政治集团和经济集团所利用，甚至垄断的时代，初衷与结果悖反、无辜与有罪并存的科学公案屡见不鲜。对于科学可能带来的负能量，只能由了解科技的公民用群体的意愿抑制和抵消：选择推进人类进化的科学方向，选择造福人类生存的科学发现。是每个现代公民对自己，也是对物种应当肩负的一份责任、应该表达的一种诉求！在这一理解上，我们将科普阅读不仅视为一种个人爱好，而且视为一种公共使命！

牛顿站在苹果树下，在苹果坠落的那一刹那。他的顿悟一定不只包含了对于地心引力的推断，而且包含了对于苹果与地球、地球与行星、行星与未知宇宙奇妙关系的想象。我相信，那不仅仅是一次枯燥之极的理性推演。而且是一次瑰丽之极的感性审美……

如果说，求真与审美，是这套丛书难以评估的价值，那么，极端的智慧与极致的想象，则是这套丛书无法穷尽的魅力！

Science and Ultimate Reafity：Quantum Theory,Cosmology and Complexity是一本为祝贺著名理论物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）90周岁生日而出版的文集，书中收集了涵盖理论物理最前沿，包括量子物理、字宙学、复杂性科学等领域的30篇综述性论文，这些论文都是相应领域的顶尖科学家们的呕心沥血之作，讨论的问题深刻、尖锐。在湖南科学技术出版社的组织下。我们有幸翻译了其中的一些文章，形成这本书，呈献给各位。

宇宙是怎么来的？量子是什么？为什么世界是量子的？存在是什么？物质的本原是信息吗？世界是为人创造的吗？……这样一些问题是一些愿意思考的人不能回避又难以回答的，甚至找不到人来讨论。世界上有许多像惠勒教授这样的科学家一直在很严肃地研究这些问题，而且已经取得了许多巨大的甚至惊人的进展。可是，世界虽然已经进入信息时代，科技前沿的研究也日新月异，但对于一般的人。却很难了解科学家们都在研究哪些问题，科学家们对世界的认识又变成什么样了。一方面是因为研究门类分得太细，一方面也是科学家们还没有对所研究的问题形成共识：或者甚至是因为太少的人了解最新的进展，以至于没有人为我们介绍这些进展。我们这些普通的人对世界的认识仍然停留在很多年以前。这本文集能够在很大程度上帮我们回答这些问题。让我们在思想、认知的天空自由翱翔（虽然实际上我们是在思想的迷宫里惜懵懂懂、跌跌撞撞，哈哈）。不管怎么样，这本文集里讨论的东西，相信能在很多读者脑海里形成共鸣，拨动我们那根思考之弦。

我的工作很忙。很难抽出时间翻译这些大部头著作。朱芸慧和罗璇同学因为看了我以前翻译的《新量子世界》（帕特里克·沃尔特斯，安东尼·黑著，湖南科学技术出版社，2005），觉得很有收获，主动要求参加此类工作，因而才有了这次翻译。翻译工作本身，对我们来说也是一个学习过程。文集中涉及的领域广泛，有不少内容我也不熟悉，再加上专业论文的行文以及不少作者学识渊博、文采华丽，这些都增大了翻译的难度。对她们两位更是巨大的挑战。但是两位同学非常努力，花了很多时间、很多精力。有多篇文章我们来回修改了七八次，才感到基本满意。

由于语言习惯、文化背景的差别，对读者来说。完全忠实原文翻译的文章，理解起来将会很困难，语言也将显得艰涩。因此，我们在翻译的时候，采取了倾向于方便读者理解的策略，尽量按照中文的表达习惯，将长句截为短句，有时候整段重写。单纯从忠实原文的角度来说。可能有些人会觉得这样做不太合理。问题是，我们觉得忠实原文更不合理。因为翻译出来大家看不懂。有些背景知识，如果我们觉得有必要。都会以译者注的方式加以说明。希望我们这些做法能够对大家的阅读有所帮助。  由于我们的知识、时间、精力有限，译文中必然还有一些不完善之处。恳请读者不吝指正（电子邮件：yalej@pku.edu.cn）。我们非常感谢，并将在再版中改正。

雷奕安

2008年9月14日于北京大学