宇宙是由粒子還是由場構成？

宇宙中的存在是分立的，還是連續的？

從人類已經認識到的自然規律來看，這個二選一的提問令人十分糾結。

在人類思想史上，這種糾結可以追溯到很久遠的過去。

例如古希臘德謨克利特的原子說。薛定諤認為這是古希臘產生自然科學萌芽的一個關鍵，它解決了諸多邏輯悖論，甚至解決了諸多與實際相關的邏輯問題，例如求圓錐的體積等，從而推動了數學物理的發展。詳細內容可以見薛定諤的演講集《自然與古希臘》。總之這種觀點認為，宇宙的基本構成是粒子。

而另外一個鮮明觀點是自然界是連續的。例如，莊子在《莊子·天下》寫道，「一尺之棰，日取其半，萬世不竭。」因為世界是連續的，類似一片渾然的海洋一般，所以，人可以在宇宙之海中逍遙遊。例如，莊子在《莊子·刻意》中寫道，「聖人之生也天行，其死也物化，靜而與陰同德，動而與陽同波；不為福先，不為禍始；感而後應，迫而後動，不得已而後起。」一言以蔽之，宇宙的基本構成是場。

在東西方的歷史上，這兩種觀點都有其鮮明的代表。總體而言，在西方思想史上，最終粒子觀點獲勝。而在東方思想史上，場的觀點佔據主導地位。

這兩種觀點在現代科學發展史上的爭論的激烈程度，是大部分人不了解的。例如光。

牛頓用粒子觀點解釋光的直線傳播，包括折射現象很成功。可是光的干涉和衍射，卻只能用場的觀點來解釋。

到了19世紀末二十世紀初，粒子和場的觀點的爭論近乎白熱化。熱力學和統計物理的重要開創者之一玻爾茲曼篤信原子。事實上有一本玻爾茲曼的傳記就叫做《篤信原子的人》。而另外一位大佬，馬赫，卻堅持奧卡姆剃刀原則——如無必要，無需假設。他反對原子說，也反對玻爾茲曼的其他學術觀點。結果馬赫影響力大，玻爾茲曼抑鬱自殺。

直到愛因斯坦寫了一篇分子大小的測量方法的論文，這場爭論才告一段落。詳細過程見派斯的愛因斯坦傳。

應該說愛因斯坦把粒子說重新復活了。搞定分子之後。愛因斯坦又搞定了光電效應。對於光電效應這種現象，必須假設光量子的存在，也就是說光的能量有最小單位。準確的說，光因該是一大堆光子。

但是愛因斯坦的廣義相對論卻是場的觀點。所以，他一輩子都試圖搞出一個同一場論，試圖統一的解釋四種力（強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力）。

這樣，我們面臨著一個思想上的兩難。

一方面，我們直覺到許多物體的連續性，我們直覺到時間的連續性。以及連續性的牛頓方程、連續性的薛定諤方程，都在表明，連續性存在的合理性。尤其是薛定諤方程的連續性條件，自然推出了量子化能級。

而分立性也是顯然的。我們確實經驗到一個個分立的個體，尤其是從視覺上。在微觀的層次上，通過各種探測手段，我們分辨出單個細胞、分子、原子、乃至亞原子粒子。從量子力學來看，我們有量子化的能量、量子化的電荷、量子化的質量、量子化的自旋、量子化動量等等。尤其是，我們有量子化的信息（0或1）。下一個有待確認的重要命題是，時間與空間的量子化。因為這個命題將提供關於量子波函數塌縮問題的最為自然的答案。

根據薛定諤的波動力學，量子系統是由波函數所描述的，波函數的演化遵從薛定諤方程。波函數被要求是連續的、單值的、有限的函數，這一條件自然產生了能量量子化等重要量子力學性質。如果我們從幾率和位置構成的空間來看一個粒子的狀態演化，我們看到的是波狀的曲線或者曲面隨著時間在連續變化。但是，在一次測量中，例如測量粒子的位置，最終的測量結果將表明粒子確實位於某個確切的位置。如果這個時候看幾率函數，它將呈現一個點。這個過程被稱為波函數塌縮(wave function collapse)。

用更為嚴格的語言表述。測量相當於一個算符Q，它對態作用的結果是使態跳變到Q的某個本徵態。至於跳變到哪個本徵態，從量子力學看，純粹是隨機的，但計算其概率則有一套精確的規則。量子態到Q的本徵態的跳變是一個涉及態收縮（state reduction）波函數塌縮。彭羅斯把薛定諤演化記為U，把態收縮記為R。測量問題是指，波函數是如何塌縮的？

如果，我們注意到測量設備本身也是量子系統，並且把被觀測系統與測量設備作為一個整體來看待的話，上述的問題將變得更為突出。畢竟，測量設備和被觀測的系統都是由同樣的量子成分所構成的（電子、光子、質子、中子等等，以及夸克、膠子等等），因此，它必定要服從同樣的量子定律——也就是用連續性的確定性的薛定諤方程所描述的。那麼，一個不連續的隨機跳變是如何產生於測量過程中的兩個量子系統的相互作用的呢？這就是測量問題（或者測量悖論）。

自量子力學誕生以來，為了解決這一問題，已經產生了10來種可能的方案。我們這裡討論的方案是邏輯上最為簡單的，那就是，波函數從未塌縮。在更微小的時空尺度上，波函數是不連續的。

如果承認這一假設，那麼波函數塌縮的問題和測量悖論就自然不存在了。

首先，波函數在更小的時空尺度尺度上的不連續性，不影響波函數在大的時空尺度上的連續性。正如液體和氣體的分子構成本質，不會否定宏觀流動滿足連續的N-S方程的有效性一樣。波函數在更小時空尺度上的不連續性，也不會破壞薛定諤方程在一定範圍連續性的合理性，以及由這一連續性所給出的各種量子力學性質。

其次，波函數的不連續性，意味著時空的量子化。我們說時空的量子化，是因為根據一個前沿的理論探討——時間是從空間中湧現出來的。那麼，如果空間是量子化的，時間也必定是量子化的。

關於從空間中產生事件，這裡做簡要說明。我們之所以能夠不依賴於時間而描述改變，靠的是把一個物理體系與其它物理系統直接關聯，而不是與某個抽象的全局時間改變關聯在一起。事實上，在愛因斯坦的相對論思想實驗中，觀測者用光信號比對時鐘，通過這種方式來確定事件的時間。這些相互關聯整齊交織成一張巨網。如此一來，我們才能定義一個叫做「時間」的東西，然後把所有這一切都與它關聯，從而把我們從時刻留意各個物體之間錯綜複雜的直接關聯的重擔中解脫出來。或者從一個更為直觀的角度來看，我們對時間的測量，無論是看日月的變化、讀鐘錶的時針、還是看電子錶的讀數，我們首先記錄的是位置和形狀（都是空間的性質）的變化。

那麼，為什麼空間可能是量子化的？首先從理論上看，在低於普朗克尺度上，基於連續性的廣義相對論和量子力學出現了嚴重的矛盾。其次從實驗上看，空間的量子化是可以檢驗的（雖然尚未驗證）。

普朗克尺度是現今所知的最小尺度。如果把一個粒子放進一個1普朗克尺度見方的盒子里，根據廣義相對論，這個粒子的質量將超過同樣大小的黑洞，但同時，量子力學預言，任何小於普朗克尺度的黑洞所攜帶的能量，都小於單個能量子（量子李學忠能量的最小單位）。顯然，在普朗克尺度上，這兩個理論其中之一必定是不適合的。如果我們認為廣義相對論所到處的結論更荒謬的話，那麼它應該首先被捨棄。但是，進一步的研究表明，基於連續性的量子力學規律也需要修正。其中的重要理由，源於人們對信息的認識。、

John Wheeler早在20世紀80年代就提出過宇宙的本質是信息的設想。近年來，一批前沿的量子力學家大踏步的發展了這一設想：如果宇宙的本質是信息，那麼按照這種思路，信息的基本單位比特，就應該寄身於普朗克尺度中。20多年來，諾貝爾物理學獎得住霍夫特（Gerard Hooft）、弦理論的奠基人蘇士侃（Leonard Susskind）、以及普林斯頓大學的韋爾蘭德（Herman Verlinde）等人所發展出來的全息原理（Holographic Principle）包含了上述假設，並有望調和量子力學和廣義相對論。

根據全息原理，在比特的世界中，空間本身是量子化的——在普朗克尺度上，空間是從離散的、量子化的比特中湧現出來。而且，如果空間確實是量子化的，那它必然擁有量子力學那種與生俱來的不確定性。這樣的空間不會是一個靜止的、光滑的宇宙背景，相反，因為量子漲落，空間會充斥著「毛刺」，不停震動，使周圍的世界也發生改變。

美國芝加哥大學物理學家、費米實驗室粒子天體物理學中心主任霍甘（Craig Hogan）所領導的研究團隊正在利用新型的量子全息干涉儀來探測普朗克尺度，這種干涉儀有望深入到普朗克尺度去測量由量子化跳動引起的累積誤差，從而檢驗空間的量子化效應。

因此，如果假設時空是量子化的，那麼我們不但自然地消除了波函數塌縮（但並沒有消除測量問題，因為我們還必須刻畫測量過程），而且還有望調和廣義相對論和量子力學在普朗克尺度上的矛盾，並且這一假設還將為量子信息理論提供基礎。因此，我們幾乎可以說，在低於普朗克尺度上，時空必定是量子化的。

所以我們猜想：

宇宙中的存在既不是完全分立的、又不是完全連續的。或者宇宙中的存在即是分立的、又是連續的。

但在更基本的、更微觀的尺度上，宇宙是量子化的。

正如，我們看到的熒光屏上的圖像。無論看起來多麼的流暢、平滑，但本質上是由極其微小的像素點構成的。

我們期待霍甘（Craig Hogan）所做的類似實驗，用測量的辦法給出離散和連續的檢驗。

如果宇宙在基本的層次上是離散的，那麼，這又會是一個科學上的巨大變革。如同我們看到的。對波函數塌縮問題、量子測量問題，都會有全然不同的解答。而根據馮.諾依曼、彭羅斯和斯塔普等人的邏輯，這最終又跟人的大腦運作模式、跟意識的本質問題聯繫在一起。

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