引子 仰望星空
2009年10月中旬某天凌晨，独自一人，我在圣彼得罗空无一人的巷子里等人，伸手不见五指。此处位于智利亚特卡玛沙漠的中央地带，是地球上最干旱的地方之一。在我头顶，数不清的繁星在闪烁，使人昏昏欲睡。我挣扎着瞪大眼睛张望着导游的卡车是否已到达，他得来接我去阿尔蒂普拉诺高原（Altiplano），好在初升太阳的第一缕阳光中观赏火烈鸟，看它们徜徉在偏僻干涸的湖底盐碱地之中。在此之前或之后，我都没有看到过比这更壮丽辉煌的天空，虽说类似的梦幻时刻也还是有的：乘帆船横渡波罗的海的时候，在甲板上默数有多少颗流星划过天际；在夏威夷的威基基海滩外，在一轮满月的映照下练习冲浪；在奥地利阿尔卑斯山的半山腰，夜间踏出滑雪小屋，圆盘状银河星系的明亮光带截断了我的滑雪轨迹。在这样的一些时刻，我感到自身全然的渺小，小到可以忽略不计，同时却又奇异地感到浑然自在于宇宙间。
“浑然自在于宇宙间”又意味着什么呢？当我们谈论“宇宙”的时候，我们真正想表达的意思是什么呢？从词源学上讲，英文“universe（宇宙）”这个词源自拉丁语中的“universum”，意同“一切事物结合起来成为一个”。然而，当我们提到宇宙的时候，我们通常指的是外太空，我们的太空环境、恒星、行星、星系，这个广阔无边的疆域，充满了数不清的事物。显然，我们称为“宇宙”的东西跟“宇宙”这个词真正的含义，就算有什么共同点，那也是微乎其微的。
所有你能在夜空中指认的天体，差不多都属于银河系，我们自己所属的这个星系，它总共收纳了一千多亿颗恒星。而银河系本身还只是大约一万亿个星系中的一个而已。这些数字已然令人印象深刻，但这些可见天体也还只是整个宇宙中最微小的一部分而已。你在那里能够看到的每颗行星，都还附带着大约十倍质量的非发光物质，比如在星际空间四处翻腾的那些气云。不止于此，与所有普通物质相对应的，还有五倍于其的“暗物质”，想来其成分应该是一些奇异的、不为人知的粒子，它们在宇宙间四处飘荡。此外，还存在着比暗物质三倍还要多的“暗能量”，如同谜一般的燃料，驱使着时空组织结构以越来越快的速度扩张。
对于我们的“宇宙”就先说这么多。
根据现代宇宙学，说不定我们的宇宙不能涵盖一切，说不定存在着不止单独一个宇宙。现在，宇宙学家描绘的在时间初始阶段的一个加速扩张的时期，称为“宇宙暴胀”。这段暴胀时期以达到“热电浆”的状态而告终，这我们可以随着“宇宙大爆炸”看出来。但是没人知道在暴胀之前发生过什么。是不是有过一个绝对开始？或者，宇宙暴胀是不是永远持续着，说不定此时此刻仍在我们这个宇宙之外，在某个“多元宇宙”中的其他区域中继续暴胀？如果是这样的话，它也许会持续产生出无数的其他“婴儿宇宙”（baby universes），像泡泡一样从一个永恒扩张的空间里冒出来。这种情况，实际上很有可能。
不过就算这样，也不足以涵盖“一切”。还差得远！除了平行宇宙、暗能量、暗物质、成万亿的星系——每个都携带着成千亿颗恒星之外，还可能存在着一个有无限可能的领域，在那里，每一样从原则上来讲可以存在的事物确实存在着。在那里，你也许能发现你自己、我的猫、你的狗、阿尔蒂普拉诺的那些火烈鸟、每个人，所有恒星和星系以及前面提到过的每一样事物，逐一都有无数个副本。这些平行现实都是休·埃弗莱特（Hugh Everett）对量子力学所做的不太受待见的“多世界诠释”的不同分支。事实上，它们构成了多元宇宙中的又一层面，可以说是更加本质性的一个层面。越来越多的物理学家现在倾向于接受此观点，因为这些都是量子力学的内在逻辑所期望的；如果没有“多世界”之说，量子力学的功能性概念将越来越难以维系。
即便这样，故事还没有结束。除了这些平行世界之外，量子世界还包含着无限多个平行现实，它们以任意形式“量子叠加”着。在这些平行现实中，你不会要么在美国坐在椅子上看书，要么驾驶着租赁汽车穿越欧洲，而是这两项活动及其地点都混淆到了谁也无法确定哪一项是真实存在的程度。在量子领域里涵盖着一切可能存在的事物，以及这些可能现实的一切可能的组合形式。
然而站在那个地方，在那片星空下，我依然有那么一种感觉，这是我们人类中许多人都有过的，就仿佛我与自身之外的大千世界是浑然一体的。把“整个的物质世界，一切事物，从各种外太空现象到地球上的生命，从天上的星云到……花岗岩上生机盎然的苔藓”，概念化为一个“一”，正如伟大的德国博物学家和发现者亚历山大·冯·洪堡（Alexander von Humboldt）在描述宇宙时所说的那样[1]，还会有比这更大胆，更需要勇气，更气冲霄汉的想法吗？
如果有谁能相信这一切全部可以扯上关系，就不免显得怪异。这听起来像是由神汉或疯子编造出来的童话故事。然而，全部宇宙就是“一”这一信念，以及宇宙是由许多事物组成的这一体验，对人类来说从其最初始时期以来就是一对冤家对头。“一切即一，一即一切”——2500年前，希腊哲学家赫拉克利特就已这样一语道尽了宇宙包罗万物的这一思想。“宇宙中只有一个物体，那就是宇宙自身”这一概念，哲学家们称之为“一元论”，其英文“monism”一词出自希腊文“monos”（意为“独一无二”）。柏拉图的对话、波蒂切利的油画《维纳斯的诞生》、莫扎特的歌剧《魔笛》，还有歌德、柯勒律治和华兹华斯的浪漫主义诗作中的大部分都源自它的灵感启发。它随着詹姆斯·库克的船队周游了世界，是美利坚合众国好几位开国元老的力量源泉，甚至还作为“自然之神”出现在美国《独立宣言》之中。“一”对思想界，对艺术和人文所产生的影响是如此之大，以至于它作为科学概念的重要性经常被忽略掉。从字面上来看，“一切即一”这个说法讲的并非是上帝、精神或主观思想状态，而是对大自然，对客观存在着的粒子、行星和恒星的陈述。
作为理论物理学家，在过去25年里，我一直致力于探索微小的粒子是如何构成整个世界的。从有生以来第一次听到粒子，我就对它们激动不已。不过尽管它们令人着迷，但让这些粒子真正能占据在我心头的，在于怎样才能以它们为工具，来揭开现实世界的根基。“一切事物都是由什么做成的？”这个问题在我还在读高中时就开始盘踞在我心头。正是这种痴迷引领着我走进物理学，促使我拿到了博士学位，并最后拿到了教授职位。当我与数学、无法理解的语言以及自卑感缠斗的时候，是关于粒子的学问鼓舞着我坚持下去。在随后几十年间我在评审期刊上发表了80多篇论文时，在我撰写的一篇《科学美国人》（Scientific American）封面专题文章后来紧挨斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）的一篇文章再次刊登的时候，以及在我的研究工作三次走上《新科学家》（New Scientist）杂志封面时，我的工作动力就来源于这些粒子。当然，在这项拼搏中我不是独自一人。我只是这项全球大事业中的一名小小贡献者：在全世界遍布着约莫一万名研究人员，其中包括本颗行星上的一些最有才华的头脑，他们正在不知疲倦地工作着，要探究出粒子到底是怎样构建成我们身边所看到的一切的。
现在我认为，我们在错误的轨道上。
不要误解我：科学最重要的任务是对实验、观察以及事件的结果进行预判和解释。粒子物理学家做起这件事来具有无与伦比的精确性。从几个可以在咖啡杯表面上贴下的方程着手，粒子物理学家对他们的实验结果进行预判，其精确度相当于以小于1毫米的误差得出伦敦与柏林之间的距离。但是，尽管粒子物理学比任何其他科学学科更加精确，它还是不能给出事情的全貌。因为，如果我们关注的是全局，我们就会看到：不是粒子构成世界，而是要反过来说。
自从发现了原子，物理学家们就一直沿用着还原论的哲学。根据这一思想，我们把身边的一切事物都分解成由相同的微小成分构成的碎块，再进行统一认识，就可以把握住对大自然的理解。按照这一普遍说法，日常物件像椅子、桌子和书籍都是由原子构成的，原子是由原子核以及电子构成的，原子核含有质子和中子，而质子和中子是由夸克构成的。像夸克或电子这类基本粒子被认为是宇宙的根本性构件。在过去50年里，为了使这一观点具体化，人们用充满奇怪符号的各种艰深方程填满了几十万页的论文。为了测试这些想法，建造了巨型粒子对撞机（粉碎机），管道绵延十几英里，价值几十亿美元，只为把亚原子物质加速到接近光速，让它在猛烈撞击下粉碎，从中寻找更小的，甚至是还未被发现的“碎块”。在美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）的帮助下，一件又一件工程技术奇迹被发射进太空，以便监听宇宙中最早发生事件的余音，以便了解当世界还只不过是一锅烫手的粒子汤时，它到底长什么样。
这套哲学理念在实践中取得了巨大的成功，只是在这之中有一个盲点。原子、质子和中子、电子和夸克都是用量子力学描述的。但根据量子力学，总的来说，是无法在不丢失一些关键信息的情况下分解一件物体的。粒子物理学家为了对宇宙做出根本性的描述奋斗着，而这样的描述要求不丢弃任何信息。但是如果我们认真看待量子力学，这就意味着，在最本质的层面上，大自然是不可能由一些“成分”构成的。对宇宙进行最具本质性的描述，必须从宇宙本身着手。
与任何其他职业物理学家一样，我在每天的工作中都运用到了量子力学。我们用量子力学来对实验、观察和我们感兴趣的问题结果进行计算和预判，不论是巨型加速器中的粒子对撞、早期宇宙的原始等离子体中的散射进程，还是固态实验室实验中的电子或磁场行为。虽然我们几乎可以永远采用量子力学对具体的观察及实验进行描述，但我们通常不把它应用于整个宇宙。
因为这么做会带来一个令人费解的后果，我后面会在这本书里论证。一旦量子力学被应用到整个宇宙，它就彰显出一种存在了3000年之久的思想，那就是：在我们所经历体验的每一件事物最底层贯穿着的，统统都只是单独一个的涵盖一切的东西。而我们在自己身边所看到的每一件其他事物都是某种幻象。
需要承认的是，“一切即一”这个说法听起来并不像一个多么高明的科学概念。第一眼瞥过去，它听着荒唐。随便抬眼往窗外一望：多数时候街上都会有不止1辆汽车。谈恋爱的话，就需要有2人（至少！），做弥撒的话就需要“2或3”名信徒，而踢一场足球正常情况下得有22名球员。从很早的时候起天文学家就已经使我们信服了，地球不是宇宙中唯一的行星，而如今现代宇宙学所知道的恒星数量已经实实在在数不过来了。
但量子力学改变了一切。在量子体系中，各样物体完全彻底地融合起来，以至于你再也无法对它们的构成成分的特性说出一点，哪怕是只言片语。这一现象被称作“量子纠缠”，而且，虽然它在80来年前就被爱因斯坦（Albert Einstein）及与他合作的那些人指出来了，但直到今天它才逐渐得到充分重视。只要把量子纠缠应用到整个宇宙，你就注定要面对赫拉克利特的信条“一切即一”。
“慢着”，可能你要反对。“量子力学只适用于微小事物：原子啦，基本粒子啦，可能还有分子。但把它应用到宇宙，这就没有道理了。”你会惊讶地了解到，越来越多的强有力的迹象表明，你这种观念是错误的。仅在1996到2016年间，就有6项诺贝尔奖授予了所谓的“宏观量子现象”。量子力学似乎无所不适用，这个发现的后续意义现在才刚刚开始得到探索。
你或许要挥起双手来抗议，认为进行这样的讨论毫无意义。不进行任何此类形而上学式的思索，物理学还不是照样得到顺畅应用。其实不然。当前，物理学正面临着一场危机，它迫使我们首先要对我们所理解的“本质性”究竟指的是什么进行重新思考。就在此时此刻，由于在实验中发现了一些极端不可能的巧合现象，迄今无法对其做出任何解释，那些最有才华的粒子物理学家和宇宙学家们之间产生了嫌隙。与此同时，对“万物理论”的求索正在从物理学手中夺走像物质、空间和时间这类的基础概念。如果这些都没有了，那还剩下什么？
量子宇宙学告诉我们，构成现实世界根本层面的既不是粒子，也不是微小的、振动着的，被称为“弦”的一维物体，而是宇宙本身——不可想成是组成宇宙的一切事物的总和，而要理解为一个包罗万物的统一体。我后面会证明，“一切即一”这个理念具备潜质去拯救科学的灵魂：也就是坚信存在着一个独特、可理解且带根本性的现实世界。一旦这个论点占据支配地位，它就会翻转我们对万物理论的追求——将其建立在量子宇宙学之上而不是建立在粒子物理学或弦理论之上（当前有最多人认为后者可以充当引力场量子理论）。这样一个概念还进一步意味着我们得去弄明白，如果每样事物归根结底都只是“一”，那么我们又是怎么做到把世界体验为许多事物的呢？这得要靠一种叫做“退相干”的过程来完成，事实上它对于现代物理学的任何一个分支都是不可或缺的。退相干的作用，就是保护我们的日常生活体验不过多受到量子古怪行为的侵扰。而且它还体现了赫拉克利特信条中的下半句：“一即一切”。
这么一来，我们就必须去弄明白，这样一个观念是如何改变了我们对哲学中一些最深奥问题的看法的。例如“什么是物质？”“什么是空间？”“什么是时间？”“宇宙是如何成形的？”这样一些问题，甚至还包括围绕着有宗教信仰的人所说的“上帝”提出的一些问题（因为多个世纪以来，“一个蕴含万物的统一体”这个概念总是被等同于“上帝”）。我们还必须面对：如果一元论是如此直截了当地植根于量子力学，那为什么没有令更多人信服。为什么它在我们听来是如此古怪，我们这种直觉性的排斥反应源自哪里？要想真正看清这一偏见，我们不得不在一元论的历史中跋涉一趟。
“太一”一方面讲述了物理学中的一项严重危机，同时也讲述了一个被半遗忘了的概念，它有潜力解决这一危机。它对“一切即一”这一思想进行探索，物质、空间、时间以及心智全部都只不过是面对宇宙时我们自己粗颗粒感知的产物。一路下来，从古代到现代物理学，它讲述了这个概念是如何演变的，以及如何对历史进程进行了塑造。一元论不仅为波蒂切利、莫扎特和歌德的艺术带来了灵感，它还为牛顿（Issac Newton）、法拉第（Michael Faraday）和爱因斯坦的科学工作提供了信息。乃至现在，在我们关于时空的各种最先进的理论中，一元论也正在成为无须挑明的前提假设。这个故事充满了热爱与献身精神，恐惧与暴力，还有前沿科学。这个故事讲的是人类是如何成为现在这样的，而决非戏论。
[1]Barnes 1963， p. 71.