重點(diǎn)提要

　　-我們所經(jīng)驗(yàn)的宇宙里，只有碰得到的東西才會(huì)直接受到我們的影響，因此這個(gè)世界似乎具有“局部性”。

　　-然而，量子力學(xué)透過(guò)“纏結(jié)”的性質(zhì)，使兩個(gè)粒子不需中介就可互相同步，展現(xiàn)出超距作用。這是一種“非局部效應(yīng)”。

　　-非局部效應(yīng)不僅違反直覺(jué)，對(duì)狹義相對(duì)論也造成了嚴(yán)重的問(wèn)題，物理學(xué)的根本為之動(dòng)搖。

　　如果要移動(dòng)一顆石頭，根據(jù)直覺(jué)，就是得去推它，或是拿一根棍子去碰觸它，或是下達(dá)指令，透過(guò)空氣振蕩傳播到某個(gè)人的耳朵，叫他手持棍子去戳石頭，或是其它類似的辦法；更直截了當(dāng)?shù)卣f(shuō)，這直覺(jué)意味著東西要緊靠在一起，才能發(fā)生直接影響。如果A不在B旁邊，但卻能影響它，那效應(yīng)一定不是直接的，而是以一連串事件做連結(jié)，每個(gè)事件直接影響下一個(gè)，經(jīng)由一段距離依序從A傳到B。

　　每當(dāng)我們以為找到了違反這項(xiàng)直覺(jué)的例外，結(jié)果總會(huì)發(fā)現(xiàn)并非如此，例如，扳開(kāi)開(kāi)關(guān)點(diǎn)亮城市里的街燈(但仔細(xì)一想這是透過(guò)電線傳遞的)，或是聽(tīng)BBC的廣播(但我們接著會(huì)想到這是透過(guò)空中的無(wú)線電波)。至少，在日常生活經(jīng)驗(yàn)里，我們是找不到的。

　　我們把這種直覺(jué)的想法稱為“局部性”(locality)。

　　量子力學(xué)顛覆了許多直覺(jué)，但沒(méi)有一個(gè)比推翻局部性來(lái)得更意義深遠(yuǎn)。而且它為狹義相對(duì)論(21世紀(jì)物理學(xué)的基石之一)帶來(lái)的危機(jī)，迄今未能解決。

　　量子力學(xué)挑戰(zhàn)直覺(jué)

　　回溯至量子力學(xué)發(fā)展之前，以及用科學(xué)來(lái)探索自然之初，學(xué)者相信，理論上這個(gè)物理世界可以借著世界最小、最基本的物理元素，得到完整的描述。也就是說(shuō)，把所有物理元素的小故事集合起來(lái)，就可以完整表達(dá)出這個(gè)世界的故事。

　　但是量子力學(xué)違反了這個(gè)信念。粒子集合體所表現(xiàn)出的真實(shí)、可測(cè)量的物理特征，有可能并非個(gè)別粒子特征的總和，甚至毫無(wú)關(guān)聯(lián)。例如，根據(jù)量子力學(xué)，我們可以讓一對(duì)粒子相距恰好兩公尺，但是兩個(gè)粒子各自卻都沒(méi)有確切的位置。除此之外，“哥本哈根詮釋”這個(gè)理解量子物理的標(biāo)準(zhǔn)方法(于20世紀(jì)初經(jīng)由偉大的丹麥物理學(xué)家波耳加以宣揚(yáng)，而后一代一代傳授下去)堅(jiān)持，并不是我們不知道個(gè)別粒子的準(zhǔn)確位置，而是這個(gè)答案根本就不存在。詢問(wèn)單一粒子的個(gè)別位置，就像詢問(wèn)數(shù)字5的婚姻狀況一樣，是一個(gè)毫無(wú)意義的問(wèn)題。這不是知識(shí)論(我們知道什么)的問(wèn)題，而是本體論(它是什么)的問(wèn)題。

　　物理學(xué)家說(shuō)，以這種方式連結(jié)起來(lái)的粒子，會(huì)形成量子纏結(jié)。受纏結(jié)的性質(zhì)可以不是位置：兩個(gè)粒子可以用相反的方向自旋，但沒(méi)辦法確定何者為順時(shí)針；或是確定有一個(gè)粒子處于激發(fā)態(tài)，但沒(méi)辦法知道是哪一個(gè)。粒子的纏結(jié)和它們各自的位置、身份以及彼此的作用力無(wú)關(guān)，原則上，它們大可以是星系兩端的電子與中子。因此，纏結(jié)讓物質(zhì)以一種過(guò)去想象不到的方式產(chǎn)生密切關(guān)聯(lián)。

　　量子計(jì)算與量子密碼學(xué)是一種嶄新且潛力無(wú)窮的技術(shù)，而纏結(jié)則是幕后的推手。它們可以解決一些一般計(jì)算機(jī)實(shí)際上解決不了的問(wèn)題，并且提供不會(huì)被竊聽(tīng)、絕對(duì)安全的訊息傳遞方式(參見(jiàn)2005年2月號(hào)《量子傳訊，絕對(duì)機(jī)密》與2008年9月號(hào)《用離子做量子計(jì)算》)。

　　然而，纏結(jié)似乎也造成一種極度詭異、強(qiáng)烈違反直覺(jué)的“非局部性”現(xiàn)象：不需觸碰(或觸碰連鎖動(dòng)作的其中一步)就可能在物理上對(duì)某物造成影響。非局部性意味著在美國(guó)愛(ài)荷華州打出一拳，可以打落在德州的人的牙齒，完全不需透過(guò)中間各州任何物體的協(xié)助，不需動(dòng)到一顆氣體分子、電線里的一顆電子或一束閃光。

　　除了這奇怪無(wú)比的特性，非局部性最令人擔(dān)心的是它對(duì)我們所知的相對(duì)論造成嚴(yán)重威脅。這個(gè)老問(wèn)題在過(guò)去幾年終于得以進(jìn)入物理研究的殿堂，并成為辯論重心，它或許終將使物理學(xué)的根基為之解體、扭曲、重塑、強(qiáng)化甚至崩壞。

　　實(shí)相的根本變革

　　愛(ài)因斯坦對(duì)量子力學(xué)有許多憂慮，對(duì)其機(jī)率本質(zhì)的擔(dān)憂(他的名言：“上帝不玩骰子”)只是其中之一。但是唯一讓他愿意花時(shí)間寫篇論文正式表述反對(duì)意見(jiàn)的，和量子纏結(jié)的奇特性質(zhì)有關(guān)，這個(gè)反對(duì)意見(jiàn)是EPR論證(以愛(ài)因斯坦和同事波多斯基以及羅森三位作者的姓式縮寫來(lái)命名)的核心。在他們1935年的論文〈量子力學(xué)對(duì)物理實(shí)在性的描述是完備的嗎？〉中，他們的論證嚴(yán)謹(jǐn)?shù)鼗卮稹安弧薄?

　　他們的關(guān)鍵論證運(yùn)用到量子力學(xué)(或其數(shù)學(xué)算則)里的一項(xiàng)特性來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。假設(shè)我們要測(cè)定一個(gè)粒子的位置，而它與另一個(gè)粒子有量子纏結(jié)，如前所述，它們個(gè)別都不會(huì)有準(zhǔn)確的位置。但當(dāng)我們得知測(cè)量結(jié)果后，因?yàn)橹�道了第一個(gè)粒子的位置，所以對(duì)它的描述自然會(huì)改變。然而算則告訴我們，對(duì)第二個(gè)粒子的描述也得瞬間改變，不管它的距離有多遠(yuǎn)，或兩個(gè)粒子間是否隔著其它東西。

　　量子力學(xué)出現(xiàn)在物理學(xué)家的眼前時(shí)，纏結(jié)對(duì)世界圖像的建立并沒(méi)有造成爭(zhēng)議，只是在愛(ài)因斯坦之前，沒(méi)有人對(duì)它的意涵多做深思。但愛(ài)因斯坦看出了纏結(jié)不只怪，還很可疑，讓他覺(jué)得很詭異，特別是，它似乎具有非局部性。

　　不論是愛(ài)因斯坦、波耳或其它人，當(dāng)時(shí)都沒(méi)有心理準(zhǔn)備，世界上竟然可能真的發(fā)生物理非局部性。在論文里，愛(ài)因斯坦、波多斯基和羅森理所當(dāng)然地認(rèn)為量子力學(xué)中明顯的非局部性，必然只是表面的，純粹只是某種數(shù)學(xué)上的異常，或是由于符號(hào)的不恰當(dāng)。無(wú)論如何，它必然是算則里可去除的假象，即使不用任何非局部性的步驟，量子力學(xué)也一定能預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　EPR論證基本上是說(shuō)，如果(一如大家所想)世界上不存在真正物理上的非局部性，而且量子力學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)的預(yù)測(cè)是正確的，那么量子力學(xué)在解釋世界上的各種行為時(shí)，一定有漏洞，必然有一部份的東西是它沒(méi)辦法處理的。

　　而波耳只花了一個(gè)晚上就對(duì)EPR論文做出回應(yīng)。他急切地寫了一封信反駁，內(nèi)容完全沒(méi)有涉及論文里扎實(shí)的科學(xué)論證，而是對(duì)“實(shí)在性”以及“物理實(shí)在性的成份”的定義有意見(jiàn)。他的用語(yǔ)含糊、有時(shí)根本就像是神諭，叨叨絮絮地陳述主體與客體的區(qū)別，并提到在什么條件下問(wèn)問(wèn)題才有意義，以及人類語(yǔ)言的本質(zhì)。對(duì)波耳來(lái)說(shuō)，科學(xué)所需要的是“我們對(duì)物理實(shí)在性的態(tài)度必須有根本的變革”。

　　不過(guò)，波耳倒是同意EPR論文中的一點(diǎn)：物理的非局部性確實(shí)存在。他指出，這種非局部性的現(xiàn)象，正給了我們一項(xiàng)理由，說(shuō)明為何我們必須揚(yáng)棄EPR論證里那種古怪且過(guò)時(shí)的渴望，渴望能從量子力學(xué)方程式讀出世界實(shí)在性的圖像，那種連續(xù)產(chǎn)生、確切存在于我們眼前的圖像。波耳強(qiáng)調(diào)，實(shí)際上我們不只是透過(guò)一副漆黑的眼鏡在看世界，而且眼前的黑影與不確定的景色，就和一般實(shí)物同樣真實(shí)。

　　顯然，波耳的文章是以哲學(xué)來(lái)回應(yīng)一個(gè)清晰的科學(xué)質(zhì)疑。更有意思的是，這個(gè)回應(yīng)被神格化，成了理論物理的真理。從此以后，在這個(gè)議題上多花點(diǎn)心思，倒成了叛教的行為。因此，有一段很長(zhǎng)的時(shí)間，物理學(xué)界對(duì)“世界到底像什么？”這個(gè)人們內(nèi)心深處的渴望轉(zhuǎn)身不顧，而將這個(gè)形上學(xué)的問(wèn)題丟給奇幻文學(xué)。

　　即使在今日，這個(gè)愛(ài)因斯坦留給后世的關(guān)鍵部分，仍舊晦澀不清。2007年，伊薩克森(Walter Isaacson)寫的愛(ài)因斯坦暢銷傳記里，只有向讀者擔(dān)保，愛(ài)因斯坦對(duì)量子力學(xué)的批評(píng)已經(jīng)獲得解決了。但是這并非事實(shí)。

　　(摘自臺(tái)灣《科學(xué)人》雜志2009年第86期 撰文：艾伯特(David Z Albert)、加千(Rivka Galchen) 翻譯：張明哲)