11．富有进取心的读者会介意去检验正文中的几何。最容易的办法是
把我们的黎曼球面方向调整得使α方向为 “向上”而β方向在由“向上”
和 “向右”展开的平面上，也就是β方向由在黎曼球面上的q=tan （θ/2）
表出，然后用＜x │ψ＞＜ψ│x＞/＜x │x＞＜ψ│ψ＞来计算从│ψ＞到
│x＞的跃迁概率。参见注释6。
12．在数学上我们说，两个粒子的态矢量是第一个粒子的态矢量空间
和第二个粒子的态空间的张量积。所以态│x＞│ψ＞是态│x＞和态│ψ
＞的张量积。
13．沃尔夫冈·泡利是一位优秀的奥地利物理学家和发展量子力学的
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杰出人物。1925年，他以假设的形式提出了不相容原理。而对我们现在称
作“费米子”的完整的量子力学处理是1926年由极具影响的富有创见的意
大利 （美国）科学家恩里科·费米和我们已碰到过好几回的伟大的保罗·狄
拉克发展的。费米子的统计行为按照所谓的 “费米——狄拉克统计”，以
与可区别粒子的经典统计 “玻尔兹曼统计”相分别。玻色子的“玻色——
爱因斯坦统计”是由著名的印度物理学家S.N.玻色和阿尔伯特·爱因斯坦
于 1924年在处理光子时发展的。
14．这是一个如此杰出和重要的结果，值得再给出另一种表述。假定
在 E测量仪中刚好有两个刻度，向上[↑]和向右[→]，而P测量仪中有两
个刻度，向右上方45°[‰]和向右下方45°[ê]。E测量仪和 P测量仪实
1
际上分别使用刻度[→]和[]来测量。那么两个测量仪相一致的概率为
2
(1+cos135°)=0.146……，比百分之十五稍小一些。用这些刻度进行长系
列的试验，譬如得到：
E：是非非是非是是是非是是非非是非非非非是是非…
P：非是是非非非是非是非非是是非是是非是非非是…
“√”“√”“√”
给出刚好低于百分之十五的一致性。我们现在假定P测量不受 E 刻度的影
响——使得如果 E 的刻度为[↑]而不是[→]的话，P 结果也刚好完全一样
——并且由于[↑]和[‰]之间的角度和[→]和[‰]之间的一样，这样在 P
测量和新的 E测量，譬如叫 E 的测量之间的一致性就又应该刚好比百分之
十五低一点。另一方面，如果E 刻度和以前一样为[→]，但是P 刻度为[ê]
而不再是[‰]，则E 的结果和以前一样，但是在新的P，譬如称作P′的结
果和原先 E结果之间的一致性只能刚好比百分之十五低一点。由此推出，
如果实际使用这些刻度的话，则在P’测量[ê]和 E测量[↑]之间的一致性
不会超过百分之四十五 （等于百分之十五加百分之十五加百分之十五）。
但是在[ê]和[↑]之间的角度为 135°而非45°，因此一致性概率应刚好
比百分之八十五多一些，而不是百分之四十五。这是一个矛盾，它表明E
测量的选择不能影响 P 的结果（或反之）的假定是错误的！我感谢大卫·墨
明提供的这一个例子。正文中给出的例子引自于他的文章（见墨明1985）。
15．更早的结果是弗里德曼和克劳塞 （1969）在基于克劳塞、霍尼、
希莫尼和霍尔特 （1969）提出的思想上得到的。还有一点在这些实验中要
提到的是，由于所用的光子探测器的效率比百分之百要低得多，所以在发
射出的光子中只有相对少的部分在实际上被观测到。然而，即使用这些相
对不有效的探测器，测量结果和量子理论的一致性仍是如此完美，很难想
象，何以使用更好的检测器会忽然产生比理论更坏的一致性！
16．量子场论似乎为不可计算性提供某种新的视界（参见柯马1964）。
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第七章 宇宙论和时间箭头
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时间的流逝
体验时间进展的感觉是我们知觉的中心。我们似乎从确定的过去向未
定的将来不断前进。我们觉得过去的已经完结了，它是不可改变的，它在
某种意义上还在 “那里”。我们现在关于它的知识来自于我们的记录、我
们记忆的痕迹以及从这些推导而来的东西。但是，我们从未怀疑过去的“实
在性”。过去的那个样子也只能是这样了。发生过的事情已经发生过了，
不管是我们还是任何人做任何事情都无法改变它！另一方面，将来似乎还
是未定的。它可以这样也可以那样。或许这种 “选择”完全是由物理定律
所决定，或许一部分由我们自己 （或上帝）所决定；但是似乎这种 “选择”
仍然有待于进行。它似乎仅仅是任何未来的 “实在”都可以在实际上归结
于它的潜势力。当我们有意识地感觉到时间的流逝时，广漠而表面上不确
定的将来的最急切部分连续地变成为现实，并因此进入僵死的过去。有时
我们会感到，我们甚至对特殊潜在的未来选择的某种影响独自 “负责”，
这种选择事实上已被实现，并成为过去的永恒实在。我们更经常觉得，当
确定的过去疆域无情地吞噬未定的将来时，自身只是一个无助的旁观者—
—也许还要庆幸自己对这一切不必负责任。
但是，正如我们所知道的，物理告诉我们的却是另一回事。所有成功
的物理方程都在时间上是对称的。它们在时间的任何方向上使用都显得一
样。在物理学上，将来和过去似乎是平权的。牛顿定律、哈密顿方程、马
克斯韦方程、爱因斯坦广义相对论、狄拉克方程、薛定谔方程——如果我
们颠倒时间方向 （用-t 来取代代表时间的座标t），所有这些方程在实质
上都不变。全部经典力学以及量子力学的U 部分都是完全时间可逆的。现
在存在一个问题，量子力学的 R 部分在实际上是否时间可逆的。这个问题
将是下一章论证的中心。此刻，让我们首先避开这个问题，并把它当作这
个课题的 “传统智慧”，也就是不管其初看起来怎样，R 的动作也应该被
认为是时间对称的 （参阅阿哈拉诺夫，柏格曼和列波维奇1964）。如果我
们接受这些，似乎就必须环视四周，看看是否在它处能找到物理定律断言
的过去和将来的差别之所在。
我们研究这个问题之前，必须考虑在我们时间感觉和现代物理理论教
导我们相信的之间另一个令人困惑的偏离。根据相对论，根本就没有什么
叫做 “现在”的东西。我们所能得到和这最接近的概念是（正如在 229 页
的图5.21 所示的）观察者在空间——时间中的同时空间，但是它依赖于观
1
察者的运动 ！一个观察者的“现在”和另一观察者的不同 。关于空间—
—时间中的两个事件 A 和 B，第一位观察者U会认为 B 属于固定的过去，
而A 属于未定的将来；而对于第二观察者V 可变为A 属于固定的过去，而
B 属于未定的将来！（见图7.1）。只要A 和 B 中的任何一个事件是确定的，
我们就不能完全有意义地断言另一个事件是否仍是未定的。
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回想一下230 页的讨论以及图5.22。两人在路上相遇。按照其中一人，
仙女座大星云空间舰队已经启程，而另一人却认为，还没有决定是否实际
进行这次航行。那个已经决定的结果怎么还会有某种不确定呢？如果对于
其中一个人而言决定已做出，那很清楚不能再有任何非确定性。空间舰队
的启程已是不可避免。事实上他们中没有任何一个人知道空间舰队的发
射。他们将来只能在地球上的望远镜观测揭示了舰队的确已在航程中时才
2
知道。然后，他们可以回到原先邂逅之处 ，并且得出结论道，在那个时
刻，按照其中一人，这个决定于未定的将来才做，而对于另一人，决定已
在固定的过去做过。那时关于未来是否确有任何未定之处？或者是否两人
的未来都已被 “固定了”？
图7.1 时间真能流逝吗？从观察者U看来，B在 “固定的”过去，而A
还处于 “未定的”将来，观察者V 的观点刚好相反！
情况似乎变成，如果任何事情完全确定，则整个空间——时间应该的
的确确是确定的！不可能有 “未确定的”未来。整个空间——时间必须是
固定的，没有任何不确定的疆域。的确，这似乎正是爱因斯坦自己的结论
（参阅派斯1982，444 页）。此外，根本就没有时间流逝。我们只有 “空
间——时间”——并且根本就没有正在被确定的过去无情侵占的未来疆
域！ （读者也许会诧异量子力学的“不确定性”在所有这些中扮演什么角
色。我将在下一章回到量子力学引起的这一问题。此刻，最好只按照纯粹
经典的图像来思考这一切。）
依我看来，在我们关于时间流逝的意识感觉和我们关于物理世界的实
在的 （超等精密的）理论所作的断言之间存在着严重的偏离。假定（正如
我所相信的）知觉的更基础的某种东西一定能在和某种物理的关系中得到
理解的话，则这些偏离必须在实际上告诉我们这种物理的一些深刻的内
容。看来不管什么物理在起作用，它至少必须有一根本的时间反对称要素，
也就是说它应该能把过去和将来区分开来。
如果物理的定律不能区分将来和过去——并且甚至连 “现在”这个概
念和相对论都不能和谐相处——那么究竟何处可以寻找到和我们自以为理
解世界的方式更一致的物理定律呢？事实上，事情并非像我似乎要表明的
那样具有这样大的偏离。我们的物理理解除了仅仅是时间演化的方程以
外，还包含有牵涉到时间不对称的重要部分。其中最重要的是热力学第二
定律。我们先要对这一个定律有所了解。
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熵的无情增加
想象把一杯水放在桌子的边缘上。稍微推一下就会落到地面上去——
无疑地会被打碎成许多碎片，水会溅到相当大的面积上，或许会被地毯吸
收，还会流到地板的缝隙中去。我们这一杯水在这里只不过忠实地遵循着
物理的方程罢了。牛顿的描述即已足够。杯子和水中的原子独立地遵守牛
顿定律 （图7.2）。现在让我们把这图像在时间的相反方向表演。由于这
些定律的时间可逆性，这些水可以一样容易地从地毯和地板缝隙中流出，
流进一个从许多碎片拼凑而成的玻璃杯中，这整体从地板上刚好跳跃到桌
子的高度，然后停在它的边缘上。正如杯子落下打碎的过程一样，所有这
一切又都和牛顿定律相符合。
图7.2 力学定律是时间对称的；但是由右图到左图这样景象的时间顺
序从未实现过，而由左图到右图则是司空见惯的。
读者也许会问使杯子从地板上升到桌子上去的能量从何而来。那没有
问题。不可能有能量的问题，因为在杯子从桌子落下时，从下落得到的能
量必须跑到某处去。下落杯子的能量事实上变成热。在杯子摔到地面的时
刻，杯子碎片、水、地毯和地板的原子会以一种比以前更快一些的杂乱的
方式运动。也就是说，玻璃片、水、地毯和地板会比这发生之前仅仅变得
稍热一些 （不管蒸发引起的可能的热丧失——但是在原则上，那也是可逆
的）。由于能量守恒，这热刚好等于这杯水从桌子上落下时的能量损失。
所以，这些热能也刚好是足以使玻璃杯重新举到桌子上的能量！注意，在
我们考虑能量守恒时把热能也计入是很重要的。把热能也包括进去的能量
守恒定律称为热力学第一定律。由牛顿力学推导而来的热力学第一定律是
时间对称的。第一定律并不以任何方式限制玻璃和水，从而排除碎片聚集
成杯子，并且充满水后奇迹般地跳回到桌面上的可能性。
我们从未看到这类事情发生的原因是，在玻璃碎片、水、地板和地毯
中的原子的 “热”运动全是极其紊乱的，所以大部分原子都在错误的方向
上运动。为了聚集玻璃碎片并收回所有溅开的水，而且最后优美地跳回到
桌子上，必须以不可思议的精确度把它们的运动协调起来。可以肯定的是，
这样协同的运动实际上是不存在的！只有极其侥幸地，也就是如果真有这
样的 “魔术”发生的话，才会有这种协同。
然而沿着时间的另一方向，这种协同运动则是司空见惯的。假定在物
理状态的某种大尺度变化发生 （这里是玻璃杯被打碎，水流走）之后而不
是之前，粒子以协同的方式运动，我们并不把这些认为是侥幸。在此事件
以后，粒子的运动的存在必须是高度协同的；由于这些运动具有这类性质，
所以如果我们以完全精确的方式去颠倒每一个别原子的运动，则结果正是
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集中碎片，充满水并把水杯刚好举到出发之处所需要的行为。
把高度协调一致的运动看作大尺度变化的效应而不看作原因的观点
是可以接受的并且是熟悉的。然而 “原因”和“效应”两词需要面对时间
反对称的问题。通俗地讲，我们已习惯于在原因必须先于效应的意义上应
用这些术语。但是要想理解在过去和将来之间物理上的不同，就必须非常
警惕不让我们日常的关于过去和将来的感觉无意识地注入到讨论中去。我
必须警告读者，要避免这样是极其困难的，但是我们必须强制自己这样做。
我们必须尽力地这样使用词句，即在过去和将来的物理差异上不偏不倚。
相应地，如果情势被认为刚好是合适的，我们就必定允许自己把事件的原
因放在将来，而把效应放到过去！经典物理的决定性的方程 （或量子物理
的U 过程）对于未来方向的演化并没有什么特权。它们可以一样好地适用
于向过去方向的演化。未来之决定过去犹如过去之决定未来。我们可以用
某种任意的方式指明系统在将来的某一个状态，并用之来计算过去应该是
什么样子的。如果我们允许在时间的正常未来方向演化方程时，把过去当
作 “原因”，而把将来当作“效应”；则在时间的过去方向上，我们就可
以应用演化方程的同等有效的步骤，并且显然地应该把将来当作“原因”，
而把过去当作 “效应”。
然而，在我们使用 “原因”和“效应”的术语时牵涉到其他的某些东
西，这根本就不是哪个事件发生在过去、哪个发生在将来的问题。让我们
想象一个假想的宇宙，而且我们自己宇宙中的时间对称的同样的经典方程
可适用于它。但是，在这宇宙中人们熟悉的行为 （例如，一个玻璃杯被打
碎，水流走）和这些行为的时间反演的发生共存。随同我们比较熟悉的经
验，假定有时玻璃碎片真的聚集起来，神秘地充满了流走的水，然后又跳
回到桌上去；还假定，有时搅伴煮熟的鸡蛋魔术般地恢复回来并最后飞回
到打碎的蛋壳里，蛋壳完好地聚集起来，并把它新得到的内容封好；从溶
解在甜咖啡中的糖会形成一块方糖，并自动地从杯子里跳回到某人手中。
如果我们生活在这类事为司空见惯的世界中，我们肯定不会把这类事件的
“原因”归结成奇异的有关单独原子的相关行为的不可能的机遇，而是认
为是某种 “目的论效应”。由于这种效应，自装配的物体有时力求得到所
需要的某种宏观的结构。 “看！”我们会说，“它正在重新发生。那团乱
七八糟的东西正把自己聚集成另一杯水！”我们会毫无疑问地认为，原子
的目标是如此之精确，因为这是产生桌子上的一杯水的方式。桌子上的杯
子变成“原因”而地面上显得杂乱的一团原子是“效应”——尽管这个“效
应”在时间上比 “原因”发生得更早。类似地，在搅拌煮熟的鸡蛋中的原
子的精细组织的运动不是向聚集的鸡蛋壳跳回的 “原因”，而是未来所发
生的 “效应”；糖块不是“因为”原子以非凡的精度运动，而是由于某个
人——显然是在将来——要把糖块抓到手里，所以才集合起来并从杯子里
跳出来！
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当然，在我们的世界中看不到这类事的发生——或者可以更好地表达
成，我们没看到这些事和那些正常类型的事共存。如果所有我们看到的都
和上述的那样反常，则我们不会有任何问题。只要在我们所有的描述中把
