流行的觀點是，量子物理暗示一切都是隨機的，沒有任何確定的事物，但這可能是離真路徑可能會遠的。宇宙會像現在這樣，有沒有任何選擇？阿爾伯特·愛因斯坦可能在他對數學家恩斯特·施特勞斯的評論中思考這個問題：「我真正感興趣的是，上帝是否能以不同的方式創造世界；也就是說，邏輯簡單的必要性是否留下了任何自由。」
今年早些時候去世，享年83歲的美國物理學家詹姆斯·哈特爾，對這種持續的爭論作出了根本性的貢獻。在20世紀初，量子理論的出現似乎徹底破壞了古典物理學中關於宇宙演化是「決定性」的觀點。哈特爾提出了一個不尋常的建議，如果正確的話，完全顛覆了關於決定性隨着古典物理學的興起，以及隨着量子理論的衰落的一般故事。實際上，一個量子宇宙可能比一個古典宇宙更具決定性——並且，儘管看起來充滿不確定性，量子理論可能會更好地解釋為什麼宇宙是現在這個樣子，而不是其他的版本。
在物理學中，決定性意味着宇宙在任何給定時間的狀態和基本物理法則完全決定了宇宙的歷史和未來的演變。這個思想在古典物理學中引入的關於宇宙行為方式的嚴格、精確的法則中達到了頂峰。以艾薩克·牛頓的運動定律為例。如果有人知道所有粒子的當前位置和動量，他們就可以在理論上使用牛頓的定律來推導出關於宇宙的所有事實，過去和未來。只是缺乏知識(或計算能力)阻止了科學家們這樣做。
伴隨着這種獨特的預測能力，決定性的下周科學解釋接近於由德國多才多藝的人哥特弗里德·萊布尼茨最有名地表述的「充分理由原則」：一切都有解釋。宇宙的每一狀態(有一個明顯的例外，下面我們會提到)都可以被前一個狀態完全解釋。如果宇宙是一列火車，決定性就是說它正在運行在一條軌道上，沒有選擇切換到任何其他路徑的選項，因為不同的軌道永遠不會交叉。
物理學家通常喜歡決定性的預測和解釋能力。其他人，包括一些哲學家，通常持更分裂的觀點，尤其是因為決定性可能似乎排除了人類的自由意志：如果物理定律是決定性的，我們的行為只是粒子相互作用的總和，似乎沒有空間讓我們自由地選擇A而不是B，因為宇宙的早期狀態早已經決定了我們選擇的結果。如果我們不自由，我們怎麼能因為我們的行動而受到讚揚或指責呢？神經內分泌學家羅伯特·薩波爾斯基在2023年的書《決定》中討論了這個令人着迷且有爭議的問題。
太空侵略者
二十世紀開始，量子粒子的怪異行為從根本上改變了物理學中關於決定性的辯論。量子力學的定律只給出了結果的概率，這可以用奧地利物理學家埃爾文·薛定諤在1935年設計的思想實驗進行說明(儘管他在設計它時，主要關注的是波函數如何表示現實)。一隻貓被困在一個箱子裏，有個瓶子裏的毒藥可能已經破裂了——由於放射性衰變，例如。如果量子力學適用於貓，它將被描述為一個「波函數」，處於「活着」和「死了」的超級位置。該波函數在測量時，隨機跳到兩種狀態中的一種，量子力學只規定了兩種可能性出現的概率。量子力學的到來似乎把決定性扔出了窗外。
但是，這個被接受的觀點可能並不是全部的故事，正如20世紀下半葉的發展所示。量子宇宙實際上可以比古典宇宙更具決定性，有兩個原因。第一個是技術上的。牛頓的定律允許過去無法決定未來的移動方式的情況。例如，這些定律沒有對一個物體可以被加速的程度設定上限，所以理論上，一個古典物體可以在有限時間內達到空間無窮大。反過來，你就得到了所謂的「太空入侵者」—來自空間無窮大，在宇宙中不與任何其他事物有因果關係的物體，這是無法從宇宙的任何過去狀態中預測的。
（示意圖）
實際上，這個問題是由愛因斯坦的特殊相對論引入的宇宙速度極限，即光速來解決的。但是古典理論中還有一些不受控的無限性，這也困擾着愛因斯坦的相對論。廣義相對論的方程會導致無限曲率的「奇點」，最為人所知的是黑洞和宇宙起源處的大爆炸。奇點就像是時空中的空洞，理論不再適用；在某些情況下，任何東西都可以從中出來(或消失進去)，威脅到決定性。
許多物理學家認為，量子理論可以通過消除這樣的奇點來解救——例如，通過將大爆炸轉化為一個「大彈跳」，得到一個在奇點另一邊的宇宙，它的演變仍然平穩進行。如果他們是對的，那麼一個完全統一了預測小尺度下物質行為的量子理論和封裝了宇宙大尺度演變的愛因斯坦相對論的「量子引力」理論，將會平滑時空中的空洞，並恢復決定性。
但是，為什麼量子宇宙可能更具決定性，還有一個更深層次的原因，哈特爾的科學遺產與此相關。哈特爾和美國物理學家默里·蓋爾曼一起發展了一種有影響力的量子理論方法，叫做相干歷史。這試圖解釋量子物理學中概率性陳述的有用性，以及從量子超級位置出現我們熟悉的、經典的日常體驗。在他們的畫面中，波函數從不隨機跳躍。相反，它總是遵循由薛定諤方程給出的確定性法則，這個方程描述了量子態的平滑和連續的演變。在這個方面，它與美國物理學家休·埃弗里特三世的流行的「多世界」解釋相似，這個解釋認為，量子宇宙根據波函數中編碼的可能性在任何被測量的東西上分裂成不同的分支。在下面，我假設，就像埃弗里特那樣，整個宇宙可以被一個沒有任何「隱藏」的能在更基礎層面上操作的變量的量子波函數完全描述。
