爱因斯坦写过一篇论文来批驳量子力学，引发了他和玻尔之间的一场哲学论战，结果让物理学界背离“探究世界本原”这一古老初衷长达半个多世纪。如今，对这场论战所作的重新思考得出了颠覆性结论——爱因斯坦和玻尔全都错了。更为讽刺的是，爱因斯坦慧眼识珠找到的量子力学“弱点”，恰恰对狭义相对论构成了严重威胁，甚至撼动了整个物理学的基石。
撰文 戴维·Z·艾伯特（David Z. Albert）
里夫卡·加尔亨（Rivka Galchen）
翻译 周荣庭
定域？非定域？
在我们感知到的宇宙中，我们只能直接影响自己能够触及的物体。因此，这个世界似乎是定域的。
量子力学却表现出一种可以超距发挥作用的效应——量子纠缠。通过这种效应，两个粒子的行为无需介质即可保持同步。这种效应是非定域的。
这种非定域作用不仅违反直觉，还对爱因斯坦的狭义相对论造成了严重威胁，甚至撼动了物理学的基础。
自古以来，直觉就告诉我们：要挪动一块石头，一个人必须接触那块石头，或者通过一根棍棒来接触那块石头，又或者发出一道命令，通过空气的震动传到另一个人耳朵里，再由他拿起棍棒来撬动石头。用更概括性的语言来说，物体只能对周边紧紧靠着它的其他物体产生直接作用。如果物体A 和B 没有紧靠在一起，A 对B 产生的作用就必然是间接的——这种作用必然通过一连串首尾衔接的事件，以一种连贯不间断的方式跨越AB 之间的距离，从A 传播到B。我们总以为，自己可以举出一两个违背这一直觉的特例，比方说拨动一个电闸就能点亮整座城市的街灯，通过收音机可以收听BBC 广播等。但每一次刨根问底之后，我们都会发现，这些“特例”其实并没有违背直觉：点亮街灯是因为电子通过电线传播，广播信号则是通过无线电波传送的。在我们的日常经验中，没有任何事情违背这一直觉。我们把这种直觉称为定域性（locality）。量子力学已经颠覆了许多直觉，但没有一种比颠覆定域性影响更为深远。对定域性的颠覆，动摇了21 世纪物理学的基石——狭义相对论（special relativity）。
异域来客
一个人在中国挥出一拳，直接打破美国另一人的鼻子，而且不惊动一草一木——这种“隔山打牛”的功夫，正是量子纠缠带来的不可思议之处。
让我们回到量子力学出现之前，或者说回到自然科学研究刚刚起步那会儿。当时的学者们相信，如果我们能够逐一描述构成这个世界的每一个最小、最基本的物质单元，从理论上讲，我们就能完整描述整个物质世界。把物质单元经历的事件加在一起，应该就能描述这个世界里发生的所有一切。量子力学却违背了这个“信念”。
粒子集合实际可以测量的物理性质，会根据具体情况的不同，或超越其中单个粒子物理性质的总和，或违背各粒子物理性质之和，或完全跟后者没有任何关系。比方说，量子力学允许我们放置一对粒子，使两者的间距恰好等于2 米，而这两个粒子中的任何一个，本身的位置都不确定。更有甚者，量子力学的标准理解方法——也就是上世纪初伟大的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）提出并被学术界奉为圭臬的所谓哥本哈根解释（Copenhageninterpretation）——坚持认为，这种不确定不是因为我们不知道单个粒子的确切位置，而是单个粒子根本不存在所谓的“确切位置”。
询问单个粒子的位置，就如同询问5 这个数字是否已婚一样，没有任何意义。这不是一个认知问题（我们知道些什么），而是一个存在问题（事实真相是什么）。
物理学家把粒子间这种形式的关联， 称为粒子之间发生了量子力学纠缠（entanglement）。这种相互纠缠的性质不一定非得是位置：两个粒子可以自旋方向恰好相反，但没有哪个粒子的自旋方向是确定的；又或者一堆粒子中恰有一个粒子被激发，但没有哪一个粒子确定就是那个被激发的粒子。不论粒子身处何处，本身是什么粒子，彼此间可能施加了什么作用力，纠缠都可以把它们联系起来——理论上说，分别位于星系两端的一个电子和一个中子都可以完美纠缠在一起。因此，纠缠构成了一种前人根本未曾想过的亲密联系。
量子纠缠是全新的、极富潜力的量子计算和量子密码学（quantum cryptography）的发展基础，前者能够解决某些超出普通计算机处理能力范围的问题，后者则会实现一种足以杜绝窃听的安全通信能力（参见《环球科学》2008 年第9 期《囚禁离子 实现量子计算》一文）。
不过，量子纠缠似乎还牵涉到一种极其怪异、完全违反直觉的现象。这种现象被称为非定域性（nonlocality），也就是说多个物体在既不相互接触、也不通过一系列实体从这里衔接到那里的情况下，仍有可能彼此施加物理影响。非定域性暗示，一个人在中国挥出一拳，有可能直接打破在美国的另一人的鼻子，而不影响除此之外任何地方的任何其他物体（不带动一个空气分子，不移动任何一根电线中的任何一个电子，也不发出任何一点闪光）。
除了势不可当、与生俱来的不可思议以外，非定域性引起的最大担忧在于，它对我们熟知的狭义相对论构成了严重威胁。过去几年来，这种担忧终于得以步入物理学殿堂，成为严肃思考的课题和学术争论的中心。这样的争论最终可能会瓦解、扭曲、重构、巩固，或者从根本上腐蚀物理学的根基。
修正“真实”
爱因斯坦看出了量子纠缠“隔山打牛”中隐藏的问题，并亲笔撰文批驳量子力学；玻尔则用何为“真实”的哲学思考加以回应。不过，他们都认为“隔山打牛”只是一种表面现象。
爱因斯坦对量子力学的许多方面都忧心忡忡，对量子力学随机性的担忧（即已被炒滥的“上帝不会掷骰子”）只是其中之一。不过爱因斯坦唯一一次正式发表反对意见，并亲笔撰文大加抨击的，却是量子纠缠的古怪性质。这一抨击的核心观点现在被称为EPR 佯谬（参见左侧文字框），是以那篇论文的三位作者——爱因斯坦（AlbertEinstein）及同事鲍里斯·波多尔斯基（BorisPodolsky）和内森·罗森（Nathan Rosen）的姓氏首字母缩写命名的。这篇论文发表于1935 年，题为《量子力学对物理真实的描述可以认为是完备的吗？》（Can Quantum-Mechanical Description of Physical RealityBe Considered Complete?）。他们经过缜密推理，用一个“否”字回答了自己提出的问题。他们论证过程的关键一步在于，巧妙运用了量子力学方法（即数学算法）中用来预测实验结果的一条特殊“指令”。假设一个粒子与第二个粒子发生量子纠缠，但就像我们前面提到的那样，没有一个粒子拥有确切位置，然后去测量第一个粒子的位置。很自然，等知道了这次测量的结果，我们就可以改变对第一个粒子的描述，因为现在我们已经知道测量时它出现在哪里。不过，那条“指令”还指示我们可以改变对第二个粒子的描述——而且可以立即改变，不管第二个粒子有多远，也不管这两个粒子之间隔着什么东西。
在量子力学向物理学家提供的世界图景中，纠缠是一个无可争议的事实。但是在爱因斯坦之前，没有人对这一事实可能带来的深远影响进行过深入思考。爱因斯坦发现，量子纠缠中有些东西不止奇怪，而且大有问题，这让他毛骨悚然。确切地说，量子纠缠似乎是非定域的。
在那个时候，还没有人能够欣然接受“世界上存在真正的物理非定域性”这种可能——爱因斯坦接受不了，玻尔也接受不了，其他人就更不用说了。爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在他们的论文中理所当然地认为，量子力学表现出来的非定域性必定只是一种表面现象，必然是某种数学计算异常，或者标记方法不当，或者至少是量子力学算法中一个用完即可舍弃的人为辅助项——毫无疑问，应该有人可以不借助任何非定域步骤，“复制”出量子力学对实验结果的预测。
他们还在这篇论文中提出了一个观点，大意就是：如果（像每一个人所假设的那样）世界上不存在真正的物理非定域性，并且量子力学对实验结果的预测正确无误，那么量子力学必定漏掉了真实世界的某些方面没有考虑。这个世界必然存在一部分真相，是量子力学没能涉及的。
玻尔经过彻夜思考，兴奋地写了一封信来反驳EPR 的论文。这封信没有针对那篇论文中的具体学术观点进行批驳，反倒用一种含糊其词、甚至近乎玄妙晦涩的文风，对“真实”（reality）一词的使用和“物理真实的要素”如何定义提出了不同观点。他详细阐述了主体与客体之间的区别，阐述了什么条件下提出的问题才有意义，还阐述了人类语言的本质。用玻尔的原话来说，科学需要的是“彻底修正我们对于物理真实的看法”。玻尔确实有意跟EPR 的论文达成一点共识：真正的物理非定域性当然是不可能的。他认为，这种表面上的非定域性恰好提供了又一条理由，证明我们必须抛弃物理学“探究世界本原”这一陈旧过时的志向。在EPR的论文中，这种古老的志向体现得淋漓尽致——爱因斯坦相信，如果量子力学是一个完备的理论，我们就能够从量子力学方程中解读出这个世界的“真实图景”，即每时每刻真正存在于我们面前的所有一切。玻尔却指出，我们观测得到的世界才是“真实”世界，哪怕我们观察世界的时候必须透过一块黑色的玻璃。实际上，玻尔坚持，这种黑暗模糊的视线本身，也跟我们看到的其他东西一样是真实的。
玻尔的信对一个具体明晰的科学问题给出了一个古怪的哲学回应。更为古怪的是，玻尔的回应居然被奉为理论物理学的信条。自此以后，任何人再花时间来探讨这些问题，都被视为离经叛道。物理学界也因此背弃了“探究世界本原”这一古老志向，并在此后相当长的一段时间里，将这些形而上学的问题降格到了类似奇幻文学的地位。（本文中的“形而上学”指的全都是探究世界本原。）即使在今天，爱因斯坦理论遗产中至关重要的这一部分仍然十分含混。在2007 年出版的畅销传记《爱因斯坦：生活与宇宙》（Einstein: His Life and Universe） 一书中，作者沃尔特·艾萨克森（Walter Isaacson）只是简单地向读者介绍说，爱因斯坦对量子力学的批评已经得到了解决。然而，事实绝非如此。
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