几千年来，科学家一直困惑于一个简单的问题：宇宙中是否有速度极限？直到一百多年前，爱因斯坦等人揭示光速是最快的速度，光速限定了空间中因果关联作用的速度极限。然而量子力学引入了怪异的联系。受到新物理学的启发，心理学家卡尔·荣格和物理学家沃尔夫冈·泡利探索了一种称为“共时性”的概念，他们认为这是一种奇怪的现象，可以将事件联系起来而没有原因。本书是对人类寻求理解因果本性历程的全面描述。这是一段跨越两千多年哲学史和物理学史的充满惊险的思想之旅，它告诉我们如果想把因果跟稀奇古怪的现实协调起来，我们必须放弃什么。

舍其，作家，毕业于北京大学，热爱读书、写字及各类户外运动，著有《给我一条地平线》《北方落雪南方落雪》等作品，译作有《物理教皇——费米传》等。

第1章 触及天堂：古代对天国的看法
第2章 光被木星抱了一下腰
第3章 启示：牛顿和麦克斯韦的互补观点
第4章 障碍和捷径：相对论和量子力学的狂欢
第5章 不确定性的面纱：背离现实主义
第6章 对称性的威力：因果律之外的联系
第7章 走向共时性：荣格和泡利的对话
第8章 错误映像：在大自然不完美的镜屋中漫步
第9章 现实世界擂台赛：与量子纠缠、量子跃迁和虫洞过招
结语
解开缠结的宇宙
致谢
延伸阅读
索引

描绘大自然中的关联
我没办法真的相信[量子
力学]，因为这种理论无法
跟下面的想法保持一致：物
理学理应代表空间和时间中
的现实，不会有瘳人的超距
作用。
——阿尔伯特·爱因斯坦
(Albert Einstein)致马克斯·
玻恩(Max Born)，1947年3
月3日
我们寻求了解宇宙中的
事物如何相互关联的旅程，
是从光开始的。光奔跑在大
自然的快车道上，能够以惊
人的速度穿过广袤的空间。
比如说，穿过月球和地
球之间的遥远距离只需要不
到一秒半的时间。可资比较
的是，1969年阿波罗11号
载人登月任务中的字航员，
返回地球花了大约三天时间
。也就是说，跟那次开天辟
地的太空旅行比起来，光的
速度要快上大约20万倍。所
以也不用奇怪，我们通过用
望远镜和其他仪器收集光线
对字宙得到的了解。比通过
太空旅行得到的要多得多。
但是结果表明，阿波罗
11号对科学来说极为重要。
在那次任务中，登月人员中
的两位，尼尔·阿姆斯特朗
(Neil Armstrong)和巴兹·奥
尔德林(Buzz Aldrin)，根据
指令留下了一组镜子。这些
反射器是月球激光测距实验
的关键部件。今天我们对光
速的了解已经极为精确，因
此科学家可以用激光脉冲瞄
准月球上，的这些(以及其
他)镜子，以惊人的精度测
出地月距离。这种测试的基
础是，我们绝对肯定，真空
中的光速极大，但并非无穷
大，而是有限且恒定的。
几千年来，我们的祖先
对于光速是否有限没多少信
心。古希腊人对光穿过太空
究竟需不需要时间争论不休
。哲学家恩培多克勒
(Empedocles)断言，阳光穿
过太阳和地球之间的空间绝
对要花些时间，因此认为光
速是有限的。亚里士多德
(Aristotle)承认恩培多克勒
的论证有几分道理。但反驳
说果真如此的话，我们就应
该会看到这个过程的中间阶
段。因此。阳光肯定是从太
阳瞬间抵达地球的。按照亚
里士多德的说法。光速实际
上应该是无限的。
直到19世纪中后期，科
学家才确凿不疑地证明光速
有限。法国研究人员阿曼德
·斐索(Armand Hippolyte
Fizeau)和莱昂·傅科(Jean-
Bernard-Leon Foucault)发
明了两种不同的测量方法，
而后来美国物理学家阿尔伯
特·迈克耳孙(Albert
Michelson)的技术又在精度
上超越了他们。与此同时。
苏格兰物理学家詹姆斯·克
拉克·麦克斯韦(James Clerk
Maxwell)从理论上证明，光
是一种电磁波(因为电磁作
用力的相互作用而产生的扰
动)，在真空中具有恒定、
有限的速度。
光速的影响极为深远。
阿尔伯特·爱因斯坦在1905
年提出的狭义相对论中强调
指出，光速限定了普通空间
中因果关联作用的最大速度
。也就是说，结果不可能在
其原因以光速抵达结果所在
地所需要的更短时间内出现
。比如说，不管用什么办法
，你都不可能在比激光抵达
月球所需更短的时间里远程
让月球上的石头当啷作响。
一般来说，涉及物质或能量
的任何交互作用，速度都不
能超过光在真空中的传播速
度。此外，任何有质量的物
体，也就是几乎所有的基本
粒子，运动速度都必须低于
光速。将有质量的亚光速粒
子加速到光速需要无穷大的
能量，所以显然不可能做到
。
物质和信息的传输速度
有限虽已经大量实验充分证
明，却并不是凭直觉就能理
解的。为什么自然界的交互
作用要有这么个绝对限制？
在比赛中，记录就是用来打
破的。在宇宙飞行中，我们
渴望能飞得越来越快。银行
通过提高授信额度来回报忠
实客户——让他们有财务自
由的感觉，虽说这感觉到底
是真是幻还两说。没有人喜
欢受到限制，任何边界我们
都想突破。然而就像一个宁
静的小镇希望匆匆路过的游
客放慢脚步一样，狭义相对
论强行规定了一个放之全字
宙而皆准的速度上限。
……
荣格和泡利正确指出，
科学需要超出决定论和因果
关联的期望。尽管如此，他
们在试图找到大自然中非因
果关联的例子时还是变得过
于急切。他们试图将量子纠
缠与日常生活中的机缘巧合
类比起来，比如梦境中的预
兆、文化中的共性(荣格称
之为“原型”，并归因于“集
体无意识”)等等。遗憾的是
，在建立这样的联系时，他
们将真正的科学谜团——为
什么决定论的因果关联与涉
及偶然因素的非因果关联在
自然界中并存与未经证实的
伪科学猜想混淆了起来。人
们，就算是训练有素的科学
家，都并非总能判断出哪些
关联是真有其事，哪些站不
住脚。实际上，经试验证实
的远距离交互作用跟仅仅感
觉到两起事件有隐藏联系毫
无共同之处。经无数团队的
辛勤工作证实过的可重复的
实验结果，是真正的试金石
。仅凭第六感是不够的。
量子物理学尽管有怪异
的一面。但远远说不上漫无
边际、模糊不清。刚好相反
。虽然其杂合框架中包含了
偶然、相关性和连续性的奇
怪混合，在此背景下却能得
出极为精确的预测。这里面
也包括实际应用，比如医院
里天天都在用的核磁共振成
像(MRI)，及正在日本测试
的超导磁悬浮列车，悬浮在
轨道上，能达到惊人的速度
。
维也纳有个研究小组，
在

共时性，是荣格1930年提出的概念，泛指没有任何联系的对象却可以协同行动，在治疗“上帝之鞭”“瑞士爱因斯坦”“泡利不相容原理”提出者泡利酗酒等精神疾病过程中，他分析了泡利1300多个梦境，在长达25年的相互学习中，他们将这种“非因果性原则”写进了《对自然和心灵的诠释》，在心理学和物理学的领域探索宇宙是怎么通过对称性和因果链之外的其他机制交织在一起。
保罗·哈尔彭以无与伦比的技巧，将人类寻求理解因果律的历史从古希腊到现代物理学的所有线索都编织在一起，同时也穿插了很多有独到见解的人物研究和丰富多彩的奇闻异事。
是以量子纠缠重写广义相对论，还是以广义相对论的可延展性解释量子纠缠？本书是普通读者了解量子物理和相对论精髓的上佳通俗读本。

解开缠结的宇宙
我们站在这里，站在一
颗小小的行星上，环绕着一
颗中等大小的恒星运动。这
颗恒星好像一支点燃的蜡烛
，在银河系吊灯的外围旋转
，而这样的吊灯有无数盏，
分布在一片广袤到无法想象
的黑暗中。我们显然非常孤
单。不仅在空间中形单影只
，就是在浩瀚的时间长河中
我们也同样只是浪花一朵。
跟大爆炸以来的138亿年相
比，我们在地球上的停留时
间极其有限，只能算是白驹
过隙。但尽管有种种局限，
我们仍然胆大包天，妄想在
我们人类的能力范围内，尽
可能多地探寻现实世界的广
阔领域。
从远古的时候开始我们
就在仰望星空，寻找智慧和
关联。在荷马英雄的时代，
我们想象着天上的神仙和我
们人间的凡俗之间有充满活
力的互动。几千年后，伽利
略的望远镜让我们得以窥见
天地之间的遥远距离。伽利
略推想，光的传播速度虽然
很快但毕竟是有限的，也就
是说太阳光需要一段时间才
能来到我们身边，星光就更
是如此了。迈克耳孙的测量
确定了光速之后。爱因斯坦
又接着证明了这个速度也是
传统空间中信息交流的速度
上限，这样一来，我们面对
的山长水阔就更加显而易见
了。爱因斯坦的广义相对论
预示着数学字宙学时代的到
来．展现在我们面前的，是
一个已经极大而且还在不断
扩大的宇宙——可观测范围
就纵横数百亿光年。想想早
年间我们还认为．天上的神
灵可以跟我们互动，真是要
多天真有多天真——比如说
我们会想象着仙女座星座，
也就是以整整一个星系(M
31．也叫仙女座星系)为中
心(从我们的视角来看，但
从该星座中的恒星来看远非
如此)的那个星座，按照希
腊神话的说法。就曾经是一
位被锁在海岸边岩石上的埃
塞俄比亚公主。
古典科学通过接受因果
关系——现实就像一串接连
倒下的多米诺骨牌，每一块
都会压在下一块上面并使之
倒地——取得了长足的进步
。然而量子物理学却向我们
证明，机械因果论尽管看起
来再自然不过，但是并不足
以解释宇宙中的所有现象。
理性的极限
就解谜这事儿来说，人
类堪称行家里手。我们的大
脑一直在寻找我们周围世界
中的规律。我们通过感官和
仪器．把自己浸泡在信息中
。我们处理收集到的数据。
自然而然地就会想从中找出
某些特定的关联。理想情况
下，我们在脑子里建立的联
系能帮助我们预见前方的危
险和机遇，让我们能够做出
更好的选择。
但是，我们识别出来的
规律并非总能准确代表现实
。感觉联合有很大一部分都
没有任何意义。只不过是两
条信息刚好同一时间到达产
生的偶然关联。例如，假设
我们走在一栋旧办公楼的走
廊上．刚好注意到风管也在
哐啷作响。我们可能就会开
始设想风管的哐啷声跟我们
脚步的节拍在以某种奇怪的
和谐节奏合拍。或者是我们
走在同一道走廊中，正注意
着脚下，不让自己被凹凸不
平、地毯破烂不堪的地板绊
倒，却刚好闻到一股霉味扑
鼻而来。
一次次回到这栋大楼会
让这些关联一遍遍得到巩固
。只要我们一走进那栋楼，
我们的大脑就会全神贯注，
去寻找特定的景象、声音和
气味。尽管如此，这些反应
也有可能是似是而非的关联
——事物看似彼此关联，实
则不然。比如说，那股霉味
也许是因为附近一家工厂的
有害气体从窗户里飘了进来
，而并非来自地面。也有可
能是因为我们走到那个叫人
害怕的鼓包时已经战战兢兢
汗如雨下，也已经准备好闻
到不寻常的气味，于是就感
觉到了我们自己的恐惧产生
的结果。在反馈循环中我们
也许会过度关注我们害怕的
事情，这实在是糟透了。
为什么我们的大脑很擅
长联想？有时候，能不能活
下来就取决于我们建立关联
的能力。腐臭食物的味道会
让我们避之唯恐不及，汽车
刺耳的鸣笛声也会激得我们
撒腿就跑，这些反应能救我
们的命，所以也不用奇怪我
们的大脑为什么总是在形成
这样的关联了。
……
谨慎接受非因果性
尽管要避免假定所有巧
合都代表真正的非因果关联
这样的选择偏误，我们也不
必完全反其道而行之，对所
有科学都只承认纯粹机械论
、因果论的解释。贝尔不等
式和量子测量理论中的现代
方法展现了如何科学地探究
远程非因果关联。虫洞以及
广义相对论中时空的复杂联
通则表明，就算是在非量子
物理学的领域中，我们也必
须面对系统性背离因果律的
想法的可能性。
稳扎稳打、小心翼翼向
前推进的物理学家或许在渴
望着能制定既包含因果关系
又能容纳非因果关系的普遍
原则——也许是以量子纠缠
为工具重写广义相对论，或
者是反过来，以某种方式利
用广义相对论的可延展性来
解释量子纠缠。爱因斯坦、
海森伯、泡利等人对自然界
统一理论的追寻也许有一天
会实现，只不过实现的方式
也许21世纪的科学根本都无
法想见。
所以，要是你发现自己
乘坐着超导磁悬浮列车在轨
道上方飞驰。日本或别的什
么地方的美景在你身边飞速
掠过，你打了会儿瞌睡。梦
见了禅宗的象征符号，结果
你一睁开眼睛就看到车厢里
也有一个这样的设计元素

从有因有果到纯属巧合
，再到幽灵般的量子纠缠，
保罗·哈尔彭引人入胜地探
索了宇宙中存在的各种各样
的关联。在读过《共时性：
因果的量子本性》之后，如
果再听到有人说一切皆有因
缘，你可能都会打个问号。
——史蒂芬·斯托加茨
（Steven Strogatz），《无
穷大的威力》作者
《共时性：因果的量子
本性》讲述了人类从古到今
如何寻求理解日常生活中的
因果关系，以及在过去的一
个世纪里如何将这种理解与
原子和粒子的量子世界看似
非因果的特性结合起来。本
书叙述生动翔实，发人深省
。
——戴维·卡西迪（David
C. Cassidy），《维尔纳·海
森伯传》作者

第1章 触及天堂：古代对天国的看法
日神坐在诸神环绕之中，无所不见的眼睛看着青年法厄同。法厄同看着眼前新奇的景色心中害怕。日神便说：“你来做什么？法厄同，你到我宫中来求的是什么？”
——奥维德(Ovid)《变形记》(人民文学出版社杨周翰译本)
很久以来我们人类一直都很想弄清宇宙的运作模式。从地球上看，从月亮到太阳再到繁星闪烁的天穹，我们依据这样一层套着一层的星体运动设定了历法，而历法也已成为我们生活中必不可少的一部分。从古到今，我们一直在努力寻找这些天体运动之间的关系——一开始是靠大胆猜测，后来则通过科学。
要想好好认识这样的相互作用，就需要测量这些天体的速度。涉及延迟的关联跟瞬间关联有本质区别。在过往的岁月中，随着我们对宇宙的浩瀚无边越来越了解，弄清都有哪些相互作用在以各自不同的速度起作用也变得越来越重要。毕竟，速度跟大小长短有关。假设比例保持不变，无论多么短暂的滞后都会在越来越长的时间间隔中变得影响越来越大。
要想通过建模来了解一个城市如何运作。工程师需要了解这座城市的交通和通信网络。一座交通基本靠走的城市跟一座有多条高速纵横其间的城市，必定会有完全不同的特征——尤其是在说到产品从一地到另一地的投递速度能有多快的时候。禁用或限制使用手机的社区跟人人都随时随地揣着一部手机的地方比起来，运行速度肯定也不一样。
如果想破译宇宙中作用力和其他相互作用构成的网络的机制，也同样需要精确了解这些相互作用之间的作用速度。现在我们知道，真空中的光速是普通空间中物体之间因果作用速度的重要上限。所谓因果，我们的意思是遵循一定顺序的一系列事件，其中所有结果(比如某物被拉动)都有其原因(用力拉的施力者)作为前导。
古希腊人非常了解光究竟有多重要。那个时代的很多哲学家纯粹应用演绎推理，就赋予了光诸如爱和善意等等抽象品质，及温暖、明亮等等物理性质。在弄清光如何传递的过程中，他们为了光速究竟是否有限争论不休。但是。没有现代设备和方法，他们无法解决这个问题。
实际上，因为光实在是太快了，就算是到了差不多两千年之后的文艺复兴时期，像伽利略·伽利雷(Galileo Galilei)这样的科学家在确定光速时成绩也没好到哪儿去。伽利略提出了一个办法：让两位观测者彼此相距数千米，相继打开手提灯，观测灯光出现的时间间隔是否跟距离有关。这个想法诚然不错，但在实践中不够精确，无法区分瞬时信号和稍有延迟(多少多少分之一秒)的信号。好在我们还有阿尔伯特·迈克耳孙等19世纪的创新者。并继之以科学和技术的进一步发展，现在我们对光速的了解已经非常精确。
光速不只是对天文学来说很重要。事实证明，对于作用力如何起作用的现代理论。光速也是极为关键的组成部分。要理解大自然中的作用力，就需要知道这些作用力如何在空间中传递。并不是所有作用力都需要接触。实际上，四种基本作用力中就有两种，即电磁力和万有引力，可以在相当远的距离上起作用。这两种作用力是以某种方式瞬间从一点飞跃到另一点的，还是需要一些时间才能传递过去？事实证明，电磁相互作用涉及光子的交换。而万有引力虽然是通过不同的机制实现，作用速度倒是刚好跟电磁力的相同。因此，对光速的认识也是研究自然界相互作用的基础。
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