罗杰·彭罗斯爵士——皇家骑士、牛津大学数学系荣誉罗斯·鲍尔教授、饱受争议的作家、以及卓越的博学家——担心他的车可能会被拖走。他的车停在牛津数学研究所旁边的一个临时停车位，我们已经安排在那里举行我们的第一次会议。所以在坐下来讨论他解决物理学最大谜团之一的方法之前，他两次匆匆出去，以确保车还在那里，这位73岁的老人展现出了令人印象深刻的速度。
我相信他会希望自己能同时出现在两个地方：这里和我一起在一个空荡荡的会议室里，以及外面在寒冷的秋雨中，留意警察。这当然是不可能的，而这正是彭罗斯所沉迷的谜团。
大约80年前，科学家们发现，物体可以同时存在于两个位置——至少对于原子或亚原子粒子（如电子）来说是这样。对于这些微小物体，世界受制于一套疯狂的物理定律，称为量子力学。在这个尺寸范围内，每一点物质和能量都处于一种模糊的、流动的状态，使其能够同时占据不止两个位置，而是无限个位置。我们所看到的世界当然遵循一套完全不同的规则：只有一个牛津大学，只有一辆汽车，只有一个彭罗斯。没有人能解释的是，为什么宇宙似乎分裂成这两种独立且不可调和的现实。如果宇宙中的一切都由量子事物构成，为什么我们在日常生活中看不到量子效应？为什么由量子粒子构成的彭罗斯不能在他选择的任何地方、此地、彼地和随处显现？
许多物理学家觉得这个问题令人非常苦恼，以至于他们完全忽略它。相反，他们专注于他们的理论中哪些是有效的。量子力学的方程在描述原子对撞机中粒子的行为、使太阳发光的核反应以及生物学基础的化学过程方面做得非常出色。对于彭罗斯来说，这远远不够。“量子力学为我们的小尺度场景提供了精彩的预测和实验证实，但它在普通尺度上却毫无意义，”他说，现在接待员已经向他保证了他的车是安全的，他放松了下来。“如果你只遵循方程，你会得到一团糟。所以你必须问：是什么导致了这个世界？”
他有一个答案，如果这个答案是正确的，将导致第一个对人粒子都同样有意义的量子理论。彭罗斯相信他已经找到了将量子精灵紧紧地束缚在原子世界中的秘密，这个秘密一直就在我们面前：引力。在他的新颖观点中，把我们固定在地面的力，也把我们锁定在一个一切都整洁、统一、并且——无论好坏——只根植于一个地方的现实中。
除了无法同时出现在多个地方的令人沮丧的无能之外，彭罗斯本人也算得上是一种量子现象。似乎确实有许多彭罗斯；只是他们碰巧都占据着同一个身体。
有物理学家罗杰爵士，1994年因其对科学的贡献而被授予爵士爵位，其中包括他致力于调和阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论与量子力学的开创性工作。有彭罗斯这位谜题大师，他创造了几何错觉，M.C.埃舍尔将其融入到他最著名的作品中。有神经科学家彭罗斯，他提出了一种有争议的理论，将意识与大脑中的量子过程联系起来。还有作家彭罗斯，他最近出版了一本1,049页的巨著，名为《通往现实之路》，副标题是《宇宙定律的完整指南》。对于一个在小学时因为无法掌握算术而降级的人来说，这是一份令人印象深刻的履历。
在我们的第二次会面中，所有这些彭罗斯都瘫坐在他牛津郊区几英里外宽敞家中的客厅沙发上。咖啡杯和一盘饼干放在他的胸前，由于他深陷沙发，胸部几乎完全水平。高大的窗户望向一片被雨水浸湿的郁郁葱葱的绿色庭院。在这个沉思的氛围中，他回顾了使他确信量子理论存在严重问题的事件，这种观点对于今天进入学术界的年轻物理学家来说将是异端。
彭罗斯的信念在他剑桥大学读研究生时开始动摇。关键时刻发生在他听保罗·狄拉克的一次讲座时，狄拉克是量子力学早期传奇思想家之一。“他谈论了叠加原理，物体可以同时存在于两个地方。为了说明这一点，他把一支粉笔折成两半，然后试图解释为什么你永远不会在现实生活中看到叠加。我的思绪可能短暂地走神了，因为我从未听到他的解释！”彭罗斯笑着说，“但当我回想起来时，我不确定我的思绪是否走神了，因为基于当前的量子力学，不可能解释为什么你不会看到物体同时存在于两个地方。这是一个大问题。这也是我一直以来担心的问题。”
这个问题的令人抓狂之处在于，粒子同时存在于两个地方的能力并非仅仅是一种理论抽象。它是亚原子世界运作方式的一个非常真实的方面，并且已经多次通过实验证实。最清晰的演示之一来自经典的物理学设置，称为双缝实验。
速览：罗杰·彭罗斯
父母：玛格丽特·莱瑟斯·彭罗斯（医生）和莱昂内尔·彭罗斯（医学遗传学家）
本科专业：数学。彭罗斯于1952年以一级荣誉毕业于伦敦大学学院
博士论文题目：圣约翰学院（剑桥）代数几何中的张量方法
发表论文数量：200篇及仍在增加
导师：天文学家丹尼斯·西亚马，1950年代稳态理论的主要倡导者，该理论认为宇宙是永恒的
替代职业：在伦敦大学学院时，彭罗斯被迫在生物学和数学之间做出选择。“我回到家时父母很生气；我的医学事业一下子就没了。”
在这个实验中，一束光穿过不透明屏障上切出的两条平行狭缝，然后投射到一块白色屏幕上。当光线照射到屏幕时，它不会只产生两个重叠的亮区。相反，出现了一些奇怪的东西：一系列交替的明暗条纹，称为干涉图样。19世纪对此的解释是光是一种波，光波在穿过狭缝后会发生重叠。光波的行为似乎很像池塘表面的水波：两个波峰相遇时，波浪会更高，形成一个亮条纹；当波峰遇到波谷时，两者相互抵消，波浪消失，形成一个暗区。
随着20世纪量子理论的发展，解释变得更加诡异。物理学家们意识到光并非完全是波，而是一种波状粒子，称为光子。这一发现提出了一项新实验。原则上，可以每次只发送一个光子穿过狭缝，并将其收集在照相胶片上。常识认为在这种情况下不应该出现干涉图样：在任何给定时刻，装置中只有一个光子，因此光没有可以与之干涉的东西。
黑洞是如何运作的？彭罗斯和物理学家史蒂芬·霍金详细描述了产生黑洞的引力坍缩的数学模型。彭罗斯提出了宇宙审查假说，认为黑洞内部发生过程的信息永远对外观察者隐藏。
然后，在1909年，一位名叫杰弗里·英格拉姆·泰勒的年轻英国物理学家实际进行了这项实验，并目睹了奇异的结果。当光子在胶片上累积时，同样的明暗交替的干涉图样逐渐出现，这违背了常识。在这种情况下，每个光子只能与一个东西相互作用——它自己。这个图样形成的唯一方式是每个光子同时穿过两个狭缝，然后与它的另一个自我干涉。这就像一个电影观众走出剧院，发现他的人行道位置是由另一个从不同出口离开并撞了他一下的自己决定的。
自那时起，其他研究人员用电子、原子，甚至包含多达70个碳原子的相对笨重的分子重复了实验。结果从未改变。单个原子和分子同时穿过两个狭缝。然而，由于某种原因，物理定律剥夺了回形针、人类和行星等大型物体的这种能力。“量子力学一定在某个地方出了问题，”彭罗斯说。“我认为这是一个需要另一场革命才能解决的重大问题。但似乎很少有人同意这个观点。”
当被追问时，量子理论家通常会援引所谓的哥本哈根解释。这个观点由丹麦物理学家尼尔斯·玻尔和他的门徒德国物理学家维尔纳·海森堡在20世纪20年代提出。在他们看来，我们之所以在日常世界中看不到量子效应，是因为观测行为改变了一切，将量子力学所允许的多种可能性固定为一种。结果，当我们观察时，我们只能看到事件的一个版本，每个物体在同一时刻都牢固地固定在一个位置上。
什么是引力？近40年来，彭罗斯一直致力于扭量理论，这是一种对引力、空间和时间进行 радикально original 描述。彭罗斯假设扭量这种物体从底层构建了时空结构，而不是将时空视为物理事件展开的空旷舞台。
哥本哈根解释的缺陷在于它没有理论基础——它更像是一个科学家们用来解释那些否则会显得荒谬的事实的故事情节。它还暗示宇宙在被观察之前并非完全真实。爱因斯坦认为这个想法令人憎恶。“我喜欢认为月亮就在那里，即使我没有看着它，”他愤怒地回应玻尔。尽管如此，哥本哈根解释在1997年的一次会议上被物理学家投票选为量子怪异现象的首选解释。
亚军解释是一种更奇异的现实观。它被称为多世界解释，由普林斯顿大学博士生休·埃弗雷特三世于1957年提出。它的支持者对量子理论定律照单全收：所有可能的量子结果都真实存在——但存在于与我们平行世界中。在一个宇宙中，彭罗斯正在牛津与我交谈；在另一个宇宙中，他正在观看一场怪物卡车拉力赛。从这个角度来看，人类和粒子的行为方式非常相似。我们只是没有同时在许多地方看到它们，因为每个潜在位置都藏在一个不同的宇宙中。
彭罗斯不敢相信有人会觉得哥本哈根解释或多世界图景令人满意。“如果你将量子力学的方程推导到你可以真正看到事物发生的程度，你就会被引向一个荒谬的观点。人们被引导到非常奇幻的世界观中。他们并没有说，‘这有点离谱，我们试着做一些更常识性的事情，’反而提出了完全离谱的理论。”
在挣扎多年寻求更好的解释后，他终于找到了一个解决方案。
图案可以没有图案吗？彭罗斯只用一个笔记本和一支铅笔，设计出一种方法，仅用两种不同的形状（现在称为彭罗斯平铺）就可以在平面上无缝地覆盖非重复图案。这一壮举曾被认为是无法实现的。研究人员此后发现，某些化学物质自然地组织成这些图案，其中一些现在被用于制造不粘锅的涂层。
从引力中寻找解决量子谜团的方案，在许多方面是一种自然的策略，至少从彭罗斯的角度来看。宇宙中有四种基本力：电磁力；将原子核结合在一起的强力；导致放射性衰变的弱力；以及引力。引力是物理学家们未能用量子术语解释的唯一一种力。阿尔伯特·爱因斯坦花了30多年时间徒劳地试图将他的引力理论与量子力学协调起来，他的继任者们至今仍束手无策。
对彭罗斯来说，这些失败表明物理学家走错了路。大多数人认为量子理论从根本上是可靠的，但我们对引力的理解必须改变。彭罗斯说，我们不应该试图改变爱因斯坦的引力理论，而应该研究引力如何影响足够小的物体，使其存在于原子量子世界和可见物体的人类世界之间的边界地带。
一粒尘埃大小的物体将提供完美的测试。在这个尺度上，物体足够小，可以受到量子力学规则的强烈影响，但又足够大，可以直接观察。目前的理论预测，这样的物体可以存在于不止一个位置，并且可以无限期地保持这种分裂状态。如果有一种方法可以在不干扰尘埃的情况下观察它，我们将看到量子怪异现象赤裸裸地展现出来：一个宏观物体同时存在于两个地方，颠覆我们所知的现实。
彭罗斯坚信，传统量子理论之所以显得荒谬，是因为它不完整。具体来说，它忽略了引力的影响。在原子或亚原子尺度上，引力相对于其他力而言非常微弱，以至于大多数物理学家认为将其排除在外没有问题。但在彭罗斯看来，理解量子世界的唯一方法是考虑作用于其上的所有力。为此，他正在以一种前所未有的方式将爱因斯坦的相对论与量子物理学结合起来。
在爱因斯坦的理论中，任何有质量的物体都会导致其周围时空结构的扭曲。这种扭曲产生了我们所经历的引力效应。彭罗斯指出，微小的物体——尘埃微粒、原子、电子——也会产生时空扭曲。他认为，忽略这些扭曲是大多数物理学家出错的地方。
如果一个尘埃微粒同时存在于两个位置，那么每个位置都应该在时空中产生自己的扭曲，从而产生两个叠加的引力场。根据彭罗斯的理论，维持这些双重场需要能量。系统的稳定性取决于所涉及的能量大小：维持系统所需的能量越高，系统就越不稳定。随着时间的推移，不稳定的系统倾向于回到其最简单、能量最低的状态——在这种情况下，一个物体在一个位置产生一个引力场。如果彭罗斯是正确的，引力会将物体拉回一个单一的位置，而无需援引观察者或平行宇宙。
什么是意识？彭罗斯认为它是大脑中量子力学过程的副产品。一些有趣的最新研究支持他的观点，即微管——脑细胞中的微小结构——可以允许量子现象影响神经元的行为。
这个过程所需的时间取决于不稳定的程度。电子、原子和分子非常小，它们的引力，以及维持它们处于复制状态所需的能量，都可以忽略不计。根据彭罗斯的说法，它们可以基本保持这种状态，正如标准量子理论所预测的那样。另一方面，大型物体会产生非常显著的引力场，以至于复制状态几乎立即消失。彭罗斯计算出，一个人会在万亿万亿分之一秒内坍缩到一个位置。对于一粒灰尘来说，这个过程需要将近一秒钟——足够长的时间，可能可以测量。
他激动起来，在沙发上坐得更直了。“这就是你应该开始看到量子力学所说的与现实所做的之间差异的尺度，”他说。“作为量子力学一部分的叠加对于大物体来说是不稳定的；一个物体会在大约一秒钟的时间尺度上占据其中一个位置。这是真的吗？好吧，我们必须做一个实验。”
几年前，彭罗斯想出了如何进行那个实验。他不会使用一粒灰尘，而是会使用一个微小的镜子，这可以让他向镜子发射辐射，看看它是否同时在一个或两个地方。如果传统量子理论是正确的，双重状态可以保持稳定很长时间。如果彭罗斯是正确的，镜子将在引力将其束缚到单一位置之前，维持双重存在不超过一秒钟。
彭罗斯最初设想将他的理论付诸实践，使用安装在外太空平台上的X射线激光。激光会向数万英里外的一个微小目标镜发射光子。这就是量子怪异之处。一个半反射镜，称为分束器，会将每个光子分成两种状态，使其沿着两条路径传播（也就是说，它同时朝着两个方向前进）。在一条路径上，光子撞击微小镜子，使其轻微移动；在另一条路径上，它从目标镜反射开，因此镜子不动。
在盛行的物理学观点中，这两个事件同时发生：镜子移动并同时保持原位，因为镜子——就像光子一样——可以同时保持两种状态。在返回路径上，撞击微小镜子的复制光子再次撞击同一面镜子，使其回到初始位置。然后整个系统精确地返回到其初始状态，并且根本无法分辨光子走了哪条路径。因此，光子的两个版本相互干涉并重新组合成一个始终沿着返回激光的路径反射的单个光子。没有任何X射线光子能够沿着通向探测器的路径。
量子怪异现象的三种不同观点（以及它们的含义）
A：根据量子力学的正统观点，即哥本哈根解释，一个系统（这里由一个儿童积木代表）在被测量之前不占据确定的状态或位置。在此之前，它只是一个模糊的重叠可能性。
B：多世界解释坚持认为系统占据了所有可能的量子状态，但每个状态都存在于其自己的平行宇宙中。每个宇宙只看到一个状态，这就是为什么我们从不观察到积木同时处于两种状态。
C：如果引力介入，正如彭罗斯所预期的那样，它会迫使镜子要么保持静止，要么移动——但不能同时保持两种状态——结果将完全不同。现在光子不能同时沿着两条路径传播，因为引力将镜子固定在一个单一状态。因此，每个光子将只沿着一条路径传播，因此它不能与自身干涉；一半时间那条路径将导致它到达探测器。因此，如果X射线触发了探测器，那么镜子的量子副本一定已经消失了，彭罗斯的现实观就必须是正确的。
将X射线激光瞄准外太空数万英里外的目标的成本和技术难度曾看似无法克服，但迪克·鲍迈斯特（Dirk Bouwmeester），彭罗斯的前博士后，现任加州大学圣巴巴拉分校物理学教授，看到了实现它的方法。他与同事威廉·马歇尔（William Marshall）和克里斯托夫·西蒙（Christoph Simon）一起，设计出一种方法，将彭罗斯的实验字面上带到地球上——带到鲍迈斯特实验室的桌子上。
改进后的实验依赖于相对简单的可见光源，而不是X射线激光。尽管如此，鲍迈斯特装置的一切都将突破实验室物理学的极限。为了给镜子提供与更高能量X射线光子相同的冲击，光子需要在两面镜子之间来回反射一百万次。到目前为止，在量子叠加状态下研究过的最大物体是足球形状的碳分子，称为巴基球。鲍迈斯特正试图在比这大十亿倍的镜子上检测到相同的效应。“如果能够观察到这一点，那将是惊人的，是对量子力学在一个全新领域的测试，”他说。
圣巴巴拉的团队目前正在进行实验，但使用的镜子比测试彭罗斯理论所需的要小得多。如果目前的测试成功，鲍迈斯特将逐渐增加镜子的尺寸，直到达到必要的人体头发直径的十分之一。他和他的同事们还在研究如何保护实验免受振动、杂散光子或温度变化的影响，这些都会破坏实验结果。“这不会一蹴而就，”他说。“我们需要将量子世界与我们的世界隔离开来，看看会发生什么。如果一切顺利，我预计四年后会有一些结果。”
彭罗斯将于八月年满74岁，他希望看到自己的观点得到证实。但并非所有物理学家都持有这种乐观态度。伊利诺伊大学香槟分校的诺贝尔奖得主托尼·莱格特（Tony Leggett）怀疑这个实验将无法证明引力对量子系统有任何影响。“我像彭罗斯一样认真对待量子悖论，”莱格特说。“我个人相信，在原子层面和人类意识之间，一定有什么东西介入，改变了量子力学的结构。”问题在于，量子理论从未未能预测任何实验的结果。如果没有证据证明理论存在某种缺陷，物理学家们就只能在黑暗中摸索改进它的方法。“我认为他们正确的可能性不到5%，”他说。
计算机能有智能吗？彭罗斯认为人脑能够完成超越计算过程的壮举。他引用了逻辑学家库尔特·哥德尔关于所有数学系统局限性的著名证明，认为这是任何计算机都无法构思出来的想法。
牛津大学量子计算中心的理论物理学家大卫·多伊奇是多世界理论的主要支持者。他反驳彭罗斯，认为他的探索更多地基于美学而非科学：“如果理论有问题，或者存在一些实验异常，这些才是改变理论的动机。当你的动机来自对现实以某种方式存在的形而上学的不情愿时，那么历史上这类动机从未产生过正确的答案。”
彭罗斯回应说，他并没有改变量子力学；他只是将其置于一种新的、更严格的测试之下。“你可以说我们没有看到任何违反量子力学的情况，但这正是你所期望的，因为从未进行过任何实验能够接近你所需看到的任何违反的水平。所以除非你试图达到我所追求的这个水平，否则我们未能看到任何偏差一点也不奇怪，”他说。
如果鲍迈斯特的实验成功，它将表明同时出现在两个地方的幻想确实是不可能的。作为一种补偿，它也将表明科学能够达到的境界远比我们曾经相信的要大得多。今天，大多数试图将爱因斯坦的引力理论与量子力学统一起来的物理学家都专注于任何可想象实验都无法触及的微观领域。也许爱因斯坦未能解决的方案近在咫尺，存在于量子力学刚刚进入人类世界的奇异领域。
彭罗斯从他那把椅子上起身，准备去学校接他4岁的儿子麦克斯。他毫不怀疑麦克斯这一代人将学到与彭罗斯多年前从狄拉克那里得到的那些令人困惑、不完整的物理学课程不同的东西。
“量子力学是最终的结论吗？”彭罗斯问道，“没有理由相信这一点。”
