永恒的信息
当下这一时刻没有什么特殊含义这种观念，可以从另一个角度来看待。所有成功的基础物理学理论都需要两大要素：（1）初始条件，即你想要描述的某个对象在某一时刻的详细信息；（2）一条公式，我们称之为演化规律，用来计算系统如何从这个初始状态发展到另一个时刻。
我得解释一下，“演化”这个词和查尔斯·达尔文没什么关系，它仅仅意味着这条规律能让我们明白一个系统如何演进，也就是随着时间的推移会发生什么变化。举个例子，如果你知道陨石进入地球大气层的位置和速度（初始条件），那么只要运用演化规律就能计算出陨石撞击地球的位置。既然我们已经开始介绍术语了，不妨再提一句，“你想要描述的任意对象”对应的专业表述是系统。尽管在其他学科当中，“系统”一词有其特定含义，但在物理学家这里，它可以用来指代一切事物。这种用法很方便，因此我也会在这本书里频繁地提及。
我们想要进行预测的时候，可以取某个系统在某一时刻的状态，然后运用演化规律从这一时刻开始计算，该系统在其他任意时刻会是什么样。不过需要提醒一句，我们可以沿着时间的任意一个方向进行计算，因为这些规律是时间可逆的，它们就像电影一样，可以正放也可以倒放。
在我们的日常生活中，时间正向流动和逆向流动截然不同。我们只能看到覆水难收，破镜难圆，人无再少年。后面我会用整个第3章来研究为什么时间正向和逆向看起来不一样，但是在这一章，我将把“为什么时间似乎偏向其中一个方向”这个问题放在一边，而是将目光聚焦于演化规律的时间可逆性会导致什么后果。
时间可逆性并不意味着时间的两个方向看起来是相同的，否则就是时间反演不变性了。时间可逆性仅仅意味着，只要给定某一时刻的所有信息，我们就可以计算出在此之前以及在此之后的任意时刻发生了/将会发生什么。
未来的所有事件理论上都可以从任意较早的时间计算出来，这种观点被称为决定论。在物理学家发现量子力学之前，当时所有已知的自然规律都是决定论的。5 1814年，法国科学家、哲学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）假想了一种无所不知的存在来阐明决定论的影响。
我们可以把宇宙目前的状态视为其过去状态的结果以及未来状态的原因。只要任意时刻存在一个智者，他能理解所有支撑自然运转如常的力和所有生存其中的生物各自的处境，同时也能够分析这海量的数据，那么从宇宙中最大的物体到最小的粒子的运动就都会包含在一条简单公式中。对于他来说没有什么是不确定的，未来只会像过去般呈现在他面前。6
这个无所不知的存在叫作“拉普拉斯妖”，只是一个理想化的虚构。在现实中，当然没有人掌握预测未来所需的全部信息——我们不是无所不知的。但是我并不关心要如何落实这种计算，我只想知道基本规律及其属性为我们揭示出的现实世界的本质是什么。
时间可逆定律也是决定论的，但是反过来却不一定正确。假设有一款无法获胜的电子游戏，而你在看一位玩家的游戏录像，他的每局游戏都以失败告终。录像的结束画面无一例外都是“游戏结束”（GAME OVER），这意味着你只凭结束画面无法推导出在此之前发生过什么。结果是确定的，但不是时间可逆的。反之，时间可逆定律会在任意两个时刻之间建立起一种独特的关系。还是拿电子游戏来举例，时间可逆意味着最终画面上包含足够多的细节，让你能够准确地找出究竟是什么操作导致了该结果的出现。
除了我将要在下一小节讨论的两个过程之外，目前已知的基本自然规律都是时间可逆且决定论的。未来的一切在现在看来已是定局，这似乎严重限制了我们做决定的能力。我们会在第6章讨论这对于自由意志来说意味着什么，而现在我想把重点放在时间反演不变性的积极一面，即宇宙确凿地记录着关于你曾经说过、想过和做过的所有信息上。
我在这里使用了“信息”这个词来粗略地指代你需要放进演化规律中并以此做出预测的所有数字。因此，信息仅仅是你在准确描述某个系统在某一特定时刻的初始状态时所需要的所有细节。在物理学的其他领域，信息一词含义之广远不止于此，但在这里我们不必把事情搞得那么复杂。
演化规律可以将任意时刻的初始状态转换为任意其他时刻的状态，所以它实际上就是向我们说明，宇宙和时空中的物质是如何重新配置的。我们从粒子的一种排列方式起步，用方程进行计算，最终得到粒子的另外一种排列方式。整个过程中的信息都被完整地保存下来，若要恢复之前的状态，只要运用刚刚用过的演化规律进行逆运算即可。虽然这在实践中无法实现，但是从理论上讲，包括与你的身份特性相关的每一个细枝末节在内的任何信息都是无法销毁的。
接下来我们来聊聊时间可逆性的两个例外：量子力学中的测量以及黑洞的蒸发。
量子力学中有一种数学对象叫作波函数，它具有时间可逆的演化规律，即薛定谔方程。波函数通常以Ψ（希腊字母ψ的大写，读音为“普赛”）表示，它描述了你想观测的任意对象（也就是“系统”）。我们可以通过波函数来计算出测量结果的概率分布，但是波函数本身是不可观测的。
我们还是举例说明一下吧，比如我们现在要运用量子力学来计算一个粒子在特定位置被测量到的概率。为了探测到这个粒子，我们采用一块发光屏幕，它在粒子击中的位置会发出闪光。不妨假设我们经过计算所预测的结果是有50%的概率在屏幕左半部分找到粒子，50%的概率在屏幕右半部分找到粒子。根据量子力学，这种带有概率的预测就是唯一解，并不是因为我们缺少什么信息才无法确定准确的位置，而是就是不存在其他的信息。波函数就是对粒子的完整描述，这也是基础理论中“基础”二字的含义。
然而，当真正进行测量的时候，我们就可以确定这个粒子到底落在屏幕的哪半部分了，这意味着我们必须将波函数从50-50修正成100-0或者0-100，具体结果取决于我们在哪一边看到了它。这种数据的“修正”有时也被称为波函数的还原或者坍缩。我觉得“坍缩”这个词存在歧义，因为它暗指了一个量子力学并不包含的物理过程，所以我一般习惯于使用“修正”或是“还原”。如果没有修正的过程，量子力学就无法描述我们观测到的东西。
“但是什么是测量呢？”你可能会这样问。这是个好问题，在量子力学发展的早期，它确实深深困扰着物理学家。幸运的是，这个问题目前很大程度上可以说被解决了。测量是指任意足以破坏系统量子行为的剧烈或频繁的相互作用。只有将量子行为彻底破坏才有可能彻底计算出其结果（而且我们已经有过很多成功的先例了）。
最重要的是，这些计算表明量子力学中的测量并不需要有意识的观察者。事实上，它甚至不需要测量仪器。即使是空气分子或光的微弱相互作用也会破坏量子效应，之后波函数就会得到修正。当然，在这个例子里使用“测量”一词似乎很不准确，但在物理学上，与人造设备的交互作用和与自然环境的交互作用之间没有任何区别。因为在日常生活中，我们永远无法摆脱环境的影响，所以我们在正常情况下无法通过肉眼见证“既死又活的猫”这样的量子效应。量子行为实在是太容易遭到破坏了。
这也是为什么你不应该听信那些声称量子跃迁可以让你摆脱疾病，还有可以从量子涨落中获取能量来改善生活的人。这些甚至称不上是非主流的科学结论，而是与事实依据完全不相符。在正常情况下，量子效应不会超出分子尺度发挥作用。它们很难持续，也很难测量，这正是物理学家喜欢在接近绝对零度的温度下（如果能有真空环境那就更好了）做实验的原因。
我们清楚地理解了测量的所有要素，但我们需要在测量时修正波函数这一事实让量子力学变得既不确定又时间不可逆。量子力学并不是决定论的，因为我们无法预测自己实际上会测量出什么结果，只能预测出测量结果的概率分布；它也不是时间可逆的，因为我们一旦完成针对粒子的测量，就无法推断出测量之前的波函数是什么。假如你测量到粒子落在屏幕左半部分，你就无法判断之前波函数预测它落在这边的概率究竟是50%还是1%。波函数有许多种不同的初始状态，但它们都会导致相同的测量结果，这意味着量子力学中的测量会对信息造成永久性破坏。
如果你对量子力学史有所了解，你就会知道它的物理诠释目前仍然很有争议。1964年，在量子力学理论建立半个多世纪之后，理查德·费曼告诉他的学生：“我可以很有把握地说，没有人真正理解量子力学。”7又过了半个世纪，2019年，物理学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）则这样写道：“哪怕是物理学家也没法理解量子力学。”8
事实上，波函数本身无法被观测的事实已经困扰了物理学家和哲学家长达一个世纪，无数人为此辗转反侧，彻夜难眠，但我们不需要在这里讲一遍整个争论过程。如果你想了解更多关于量子力学的诠释，请看看我在注释部分中给出的推荐书单。9总之，就算你从根本上质疑波函数的测量和修正，这也是目前在科学上行之有效的一套理论。就我个人而言，我认为测量修正在未来的某一天很有可能会被更基础的理论中的物理过程所取代，并且这一过程可能会是确定并且时间可逆的。
需要补充说明的是，在目前最流行的量子力学诠释之一——多世界诠释中，测量修正根本不会发生，宇宙的演化依然是时间可逆的。我并不是多世界诠释的忠实粉丝，具体原因我会在第5章列出，但是为了让你对目前的研究现状有一个准确的印象，我要在这里多提一句：多世界诠释是我们相信时间可逆性仍然没有超出当下科学知识边界的另一个理由。
这就引出了时间可逆性的另一个例外：黑洞的蒸发。在黑洞附近，时空剧烈弯曲，光受到巨大的引力作用，只能绕黑洞运行，无法逃逸。光被困住的曲面被称为黑洞的视界；在最简单的情况下，视界的形状是一个球面。因为没有任何东西的速度能超过光速，所以黑洞会捕获所有试图穿越视界的物体。如果有什么东西不小心掉进了黑洞，无论是一个原子、一本书，还是一艘宇宙飞船，它都再也不可能回来了。一旦进入黑洞，它就和宇宙的其他部分永别了。
然而，一件东西只是看不见，并不意味着它已经不存在了。如果我把一本书放进盒子里，并且从此将其封存，那我就再也看不见这本书了，但这并不会破坏书中的信息。因此，黑洞视界的存在对信息的保存来说不是什么问题。虽然我们无法获取这些信息，但只要黑洞能够继续无限存储信息，好像也就无所谓了。
直到1974年，史蒂芬·霍金证明了黑洞不会永续存在。量子涨落会让黑洞视界周围的时空失去稳定，原先的真空会在这一区域衰变成粒子，其中主要包括光子（组成光的粒子）和名为中微子的小型粒子。这会产生一种稳定的能量流，叫作霍金辐射，它会从视界中带走能量。黑洞会逐渐蒸发，根据能量守恒可知，黑洞会在蒸发的同时逐渐缩小。
然而，因为霍金辐射并非来自黑洞内部，所以它不会包含与最初形成黑洞或者后来落入黑洞的东西相关的信息。别忘了，黑洞内部与外部是不相连的。辐射确实携带了一些信息，如果能将这些辐射全部收集起来，我们就能推断出黑洞的总质量和角动量。但是辐射携带的信息远不足以还原消失在视界范围内的事物的所有细节。因此，在黑洞完全蒸发，只剩下霍金辐射之后，你无法计算其初始状态。它曾经是白矮星还是中子星，它有没有吞噬过一颗卫星、一片氢分子云或是一位不幸的太空旅行者，这位航天员最后说了些什么，你都无从得知。因此，黑洞的蒸发是时间不可逆的：很多种不同的初始状态都会导致同一个最终状态。
这好像和量子测量的问题有些类似，但是有一个重要的区别。在黑洞蒸发的过程中，信息的破坏甚至发生在测量辐射之前。这是个很大的问题，因为这意味着哪怕是量子理论的演化规律也无法解释黑洞蒸发。也正是出于这个原因，目前大多数物理学家都认为霍金关于黑洞会破坏信息的结论存在瑕疵。
霍金本人的想法在晚年也发生了转变，他开始倾向于认为黑洞不会破坏信息。霍金在1974年所做的计算最显著的缺陷在于没有考虑引力的量子性质，但我们也不能对他过于苛求，因为目前这方面的理论还没有出现呢。如果我们能找到这样的理论，再把它与霍金的计算综合起来，也许就能复原黑洞蒸发的时间可逆性。现在有很多物理学家对此表示认可。
总而言之，除了量子测量和黑洞蒸发这两种尚存争议的情况之外，信息是无法被破坏的。这对丢过车钥匙的我来说真是莫大的安慰，不过还有更严肃的例子。一旦你的祖母过世，她的一切信息——包括她独特的生活方式、她的生活智慧、她的善解人意、她的幽默风趣——都会随风而去，我们在现实中永远无法挽回这一切，它们会迅速分解成我们无法与之沟通的形式，也不再拥有自我意识。然而，只要你相信我们的数学计算，那么这些信息就依然存在于某个地方，以某种方式散布在宇宙中，并且永远留存。这听起来可能荒诞不经，但并不违背我们已知的科学知识。