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深度長(zhǎng)文:它們只能以超光速傳播,完全顛覆人類的三觀!

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嬰兒們可能連1和2的區(qū)別都分不清,數(shù)學(xué)能力幾乎為零,但他們卻在不經(jīng)意間,展現(xiàn)出了連頂尖物理學(xué)家都驚嘆的“量子力學(xué)天賦”——至少在對(duì)“現(xiàn)實(shí)本質(zhì)”的感知上,他們的視角與量子世界的詭異邏輯不謀而合。

這聽(tīng)起來(lái)像是天方夜譚,但只要回想一下每個(gè)嬰兒都樂(lè)此不疲的躲貓貓游戲,就能找到其中的關(guān)聯(lián)。



對(duì)成年人而言,躲貓貓是一種無(wú)聊到極致的游戲:我們用手捂住臉,再慢慢移開(kāi),重復(fù)著簡(jiǎn)單的動(dòng)作,卻能讓懷里的嬰兒笑得咯咯作響。大人們很難理解這種樂(lè)趣的來(lái)源,但從嬰兒的認(rèn)知角度來(lái)看,這背后藏著一個(gè)關(guān)鍵的心理學(xué)概念——客體永久性缺失。所謂客體永久性,是指當(dāng)一個(gè)物體從我們的視線中消失時(shí),我們依然能明確知道它依然存在,不會(huì)憑空消失。

但嬰兒不具備這種認(rèn)知,在他們的世界里,“看不見(jiàn)”就等于“不存在”。當(dāng)你把臉藏在手后,嬰兒的大腦會(huì)默認(rèn)“你已經(jīng)消失了”;而當(dāng)你把手拿開(kāi),露出熟悉的臉龐時(shí),在他們眼中,你不是“重新出現(xiàn)”,而是“憑空誕生”——這種違背常規(guī)邏輯的“魔法時(shí)刻”,正是躲貓貓能讓嬰兒樂(lè)此不疲的核心原因。

然而,這種“量子式”的認(rèn)知并不會(huì)持續(xù)太久。隨著嬰兒逐漸長(zhǎng)大,他們會(huì)在一次次的觀察和體驗(yàn)中,建立起客體永久性的認(rèn)知:玩具被放進(jìn)抽屜,不會(huì)消失;媽媽走出房間,還會(huì)回來(lái);杯子掉在地上,即使被桌子擋住,依然存在于某個(gè)角落。



這種認(rèn)知會(huì)深深扎根在我們的腦海中,成為一種無(wú)需思考的本能。當(dāng)我們長(zhǎng)大后學(xué)習(xí)物理時(shí),客體永久性已經(jīng)成為一種默認(rèn)的前提,沒(méi)有任何一本基礎(chǔ)物理教材會(huì)專門講解“為什么我們不看一個(gè)物體,它依然存在”——因?yàn)樵谒腥丝磥?lái),這是天經(jīng)地義、無(wú)需證明的事實(shí)。

但很少有人意識(shí)到,這種“即使不觀測(cè),宇宙依然真實(shí)存在”的想法,其實(shí)是所有經(jīng)典物理學(xué)中最基本、最核心的隱含假設(shè)。無(wú)論是牛頓經(jīng)典力學(xué),還是麥克斯韋電磁學(xué),都理所當(dāng)然地認(rèn)為,宇宙是客觀存在的,它的運(yùn)行規(guī)律不會(huì)因?yàn)橛^測(cè)者的存在與否而改變。

這種“宇宙獨(dú)立于觀測(cè)者意識(shí)而存在”的概念,在物理學(xué)中被稱為“實(shí)在論”,它就像一根無(wú)形的支柱,支撐著整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的大廈。絕大多數(shù)科學(xué)家都堅(jiān)信,不管我們是否在觀察,宇宙的星辰、行星、粒子,都在按照自己的規(guī)律運(yùn)行,不會(huì)因?yàn)槲覀兊哪抗舛淖冃螒B(tài)、消失或誕生。

直到量子力學(xué)的出現(xiàn),這根看似堅(jiān)不可摧的支柱,第一次受到了前所未有的挑戰(zhàn)。量子力學(xué)的誕生,徹底顛覆了人類對(duì)宇宙的認(rèn)知,它的詭異程度,甚至讓很多頂尖物理學(xué)家都感到困惑和不安,其中就包括量子力學(xué)的奠基人之一尼爾斯·玻爾,以及相對(duì)論的創(chuàng)立者阿爾伯特·愛(ài)因斯坦。



量子力學(xué)的核心詭異之處在于:它似乎在告訴我們,實(shí)在論可能是錯(cuò)誤的,宇宙的存在,或許與觀測(cè)者的意識(shí)息息相關(guān)。這一觀點(diǎn),也成為了量子力學(xué)誕生之初,最激烈、最持久的辯論焦點(diǎn)——一場(chǎng)圍繞“現(xiàn)實(shí)本質(zhì)”的世紀(jì)之爭(zhēng),就此拉開(kāi)序幕。

這場(chǎng)爭(zhēng)論的核心,在于對(duì)“量子系統(tǒng)狀態(tài)”的不同理解,而爭(zhēng)論的雙方,都是物理學(xué)史上的巨擘。一方面,尼爾斯·玻爾堅(jiān)持認(rèn)為,不加觀測(cè)就賦予宇宙以“現(xiàn)實(shí)性”,是沒(méi)有任何意義的。在他看來(lái),在沒(méi)有進(jìn)行測(cè)量之前,量子系統(tǒng)并不是處于一個(gè)確定的狀態(tài),而是處于一種所有可能屬性的模糊混合狀態(tài)——這種狀態(tài),我們稱之為“疊加態(tài)”。

為了更好地理解疊加態(tài),我們可以舉一個(gè)經(jīng)典的例子:電子的自旋。



電子的自旋方向只有兩種可能——向上或向下,但在沒(méi)有對(duì)電子進(jìn)行測(cè)量之前,電子并不是處于“向上”或“向下”中的某一種狀態(tài),而是同時(shí)處于“向上”和“向下”兩種狀態(tài)的疊加之中。描述這種疊加態(tài)的數(shù)學(xué)工具,叫做“波函數(shù)”,玻爾認(rèn)為,波函數(shù)就是對(duì)量子現(xiàn)實(shí)的完整描述,在沒(méi)有觀測(cè)的情況下,談?wù)撾娮拥木唧w自旋方向,是沒(méi)有意義的。

只有當(dāng)我們進(jìn)行觀測(cè)時(shí),波函數(shù)會(huì)瞬間“坍縮”,量子系統(tǒng)才會(huì)從模糊的疊加態(tài),變成一個(gè)確定的狀態(tài)——比如電子的自旋突然變成向上,或者向下。



這也就意味著,我們熟知的、確定的物質(zhì)宇宙,只有在觀測(cè)的時(shí)候才有意義;而在沒(méi)有觀測(cè)的時(shí)候,宇宙可能只是一種模糊的、抽象的量子疊加態(tài),既存在又不存在,既在這里又在那里。這種“時(shí)有時(shí)無(wú)”的宇宙觀,正是玻爾提出的“哥本哈根詮釋”的核心,也是量子力學(xué)最具爭(zhēng)議的觀點(diǎn)之一。

而爭(zhēng)論的另一方,阿爾伯特·愛(ài)因斯坦,則堅(jiān)決反對(duì)玻爾的這種觀點(diǎn)。

在愛(ài)因斯坦看來(lái),現(xiàn)實(shí)必然是客觀的,它獨(dú)立于我們對(duì)其的觀測(cè)之外——無(wú)論我們是否觀測(cè),電子的自旋方向都應(yīng)該是確定的,宇宙的運(yùn)行規(guī)律也不會(huì)因?yàn)橛^測(cè)者的意識(shí)而改變。他始終堅(jiān)信,波函數(shù)乃至整個(gè)量子力學(xué),都只是一種“不完整”的理論,必然存在著某種我們尚未發(fā)現(xiàn)的“隱變量”,這些隱變量決定了量子系統(tǒng)的具體狀態(tài),只是我們目前還無(wú)法探測(cè)到它們。

愛(ài)因斯坦始終無(wú)法接受玻爾那種“觀測(cè)創(chuàng)造現(xiàn)實(shí)”的觀點(diǎn),他認(rèn)為這種想法是荒謬的、違背常識(shí)的。為了反駁玻爾,證明哥本哈根詮釋的不合理性,愛(ài)因斯坦與他的同事波多爾斯基、羅森一起,提出了一種極具挑戰(zhàn)性的量子情景——這就是后來(lái)聞名于世的“愛(ài)因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論”,簡(jiǎn)稱EPR悖論。這個(gè)悖論的提出,不僅加劇了玻爾與愛(ài)因斯坦之間的爭(zhēng)論,更引入了量子力學(xué)中最神秘、最令人困惑的概念之一——量子糾纏。

EPR悖論的核心邏輯的是:如果我們摒棄實(shí)在論的假設(shè)(即宇宙獨(dú)立于觀測(cè)者存在),那么我們就必須同時(shí)摒棄另一個(gè)近乎神圣的物理觀念——定域性。



而定域性,正是愛(ài)因斯坦相對(duì)論的核心基礎(chǔ)之一。所謂定域性,是指宇宙中的每一個(gè)點(diǎn),都只能與其相鄰的位置發(fā)生相互作用,任何因果關(guān)系的傳播速度,都不可能超過(guò)光速。這也就意味著,兩個(gè)相隔遙遠(yuǎn)的物體,不可能瞬間相互影響,它們之間的作用,必須通過(guò)某種媒介,以不超過(guò)光速的速度傳遞——這是相對(duì)論的基本準(zhǔn)則,也是人類對(duì)宇宙因果關(guān)系的基本認(rèn)知。

而愛(ài)因斯坦等人提出的量子情景,恰恰挑戰(zhàn)了這一準(zhǔn)則。他們?cè)O(shè)想:當(dāng)兩個(gè)粒子短暫相互作用后,它們會(huì)相互影響彼此,使得它們的各種屬性(比如自旋、偏振等)以某種特定的方式相互關(guān)聯(lián)。在沒(méi)有對(duì)這兩個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量之前,它們的狀態(tài)都是不確定的,量子力學(xué)要求我們用一個(gè)單一的組合波函數(shù),來(lái)描述整個(gè)粒子對(duì)——這個(gè)波函數(shù)包含了每個(gè)粒子的所有可能狀態(tài),這樣的兩個(gè)粒子,就被稱為“糾纏對(duì)”。

根據(jù)哥本哈根詮釋,對(duì)糾纏對(duì)中任何一個(gè)粒子的測(cè)量,都會(huì)自動(dòng)使整個(gè)組合波函數(shù)瞬間坍縮,進(jìn)而影響另一個(gè)粒子的測(cè)量結(jié)果——無(wú)論這兩個(gè)粒子之間相隔多遠(yuǎn),哪怕是相隔數(shù)光年,這種影響都是瞬間發(fā)生的,不需要任何傳播時(shí)間。這種瞬間的、超距離的影響,不僅違背了定域性原則,甚至有可能違背因果律——因?yàn)樗馕吨粋€(gè)粒子的狀態(tài)變化,會(huì)在瞬間影響到另一個(gè)遙遠(yuǎn)的粒子,這種速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了光速,而相對(duì)論明確禁止任何信息或影響的傳播速度超過(guò)光速。

愛(ài)因斯坦將這種瞬間的超距作用,嘲諷為“幽靈般的超距作用”,他認(rèn)為這是極其愚蠢的,也是不可能存在的。



在他看來(lái),宇宙中的每一個(gè)特定點(diǎn),必然是真實(shí)而存在的,并且具有可知的物理量,它們之間的相互影響,絕對(duì)不可能超過(guò)光速。他堅(jiān)信,EPR悖論的提出,已經(jīng)證明了哥本哈根詮釋的荒謬,也證明了量子力學(xué)的不完整性——隱變量必然存在,只是我們還沒(méi)有找到而已。

在當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界,玻爾與愛(ài)因斯坦之間的爭(zhēng)論,聽(tīng)起來(lái)更像是一場(chǎng)哲學(xué)辯論,而不是科學(xué)爭(zhēng)論。因?yàn)殡p方的觀點(diǎn),都無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證——量子糾纏的狀態(tài)極其脆弱,很難產(chǎn)生,更難維持,任何微小的外界干擾,都會(huì)破壞兩個(gè)粒子之間的糾纏關(guān)系,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。因此,這場(chǎng)關(guān)于“現(xiàn)實(shí)本質(zhì)”的爭(zhēng)論,一直停留在理論層面,誰(shuí)也無(wú)法說(shuō)服誰(shuí)。

這種僵局,一直持續(xù)到1964年,才被一位名叫約翰·斯圖爾特·貝爾的愛(ài)爾蘭物理學(xué)家打破。貝爾并沒(méi)有直接參與玻爾與愛(ài)因斯坦的爭(zhēng)論,而是提出了一個(gè)極具創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)方案——通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證,到底是愛(ài)因斯坦的隱變量理論正確,還是玻爾的哥本哈根詮釋正確。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的核心,就是基于量子糾纏,通過(guò)測(cè)量糾纏粒子的屬性,來(lái)驗(yàn)證一個(gè)關(guān)鍵的數(shù)學(xué)關(guān)系式——貝爾不等式。



貝爾的思路非常清晰:他假設(shè)愛(ài)因斯坦是正確的,即存在隱變量,并且定域性原則成立(即粒子之間的影響不會(huì)超過(guò)光速)。那么,通過(guò)測(cè)量糾纏粒子的某些屬性(比如自旋),得到的結(jié)果應(yīng)該滿足貝爾不等式;反之,如果玻爾是正確的,即不存在隱變量,波函數(shù)坍縮是瞬間發(fā)生的,那么測(cè)量結(jié)果將會(huì)違背貝爾不等式。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),貝爾不等式就像是一個(gè)“裁判”,它可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,來(lái)判斷這場(chǎng)世紀(jì)之爭(zhēng)的勝負(fù)。

為了讓實(shí)驗(yàn)更具可操作性,貝爾設(shè)計(jì)了一個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景:使用自旋糾纏的電子和正電子對(duì)。當(dāng)一個(gè)光子衰變時(shí),會(huì)同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)電子和一個(gè)正電子,這兩個(gè)粒子的自旋方向,必然是相反的——也就是說(shuō),如果電子的自旋向上,正電子的自旋就向下;如果電子的自旋向下,正電子的自旋就向上。但在沒(méi)有對(duì)它們進(jìn)行測(cè)量之前,我們無(wú)法知道任何一個(gè)粒子的具體自旋方向,只能知道它們的自旋方向必然相反,因此,它們的波函數(shù)是相互糾纏的。

這里需要特別注意的是,在量子力學(xué)中,測(cè)量本身會(huì)影響被測(cè)量的對(duì)象——這也是量子力學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)最本質(zhì)的區(qū)別之一。以電子的自旋為例,測(cè)量的影響尤其詭異:我們是通過(guò)“轉(zhuǎn)軸”來(lái)定義自旋方向的,這個(gè)轉(zhuǎn)軸可以指向任何方向(比如垂直方向、水平方向,或者任意一個(gè)傾斜方向)。但為了測(cè)量電子的自旋,我們必須選擇一個(gè)特定的方向來(lái)放置測(cè)量?jī)x器——而一旦我們選擇了測(cè)量方向,被觀測(cè)的電子的自旋方向,就會(huì)被迫與我們所選的測(cè)量方向?qū)R。

比如,如果我們選擇垂直方向進(jìn)行測(cè)量,那么電子的自旋就只會(huì)呈現(xiàn)出“向上”或“向下”兩種狀態(tài),不會(huì)有其他可能性;如果我們選擇水平方向進(jìn)行測(cè)量,那么電子的自旋就只會(huì)呈現(xiàn)出“向左”或“向右”兩種狀態(tài)。也就是說(shuō),測(cè)量行為本身,會(huì)改變量子系統(tǒng)的狀態(tài)——這正是玻爾所強(qiáng)調(diào)的“觀測(cè)創(chuàng)造現(xiàn)實(shí)”,也是愛(ài)因斯坦無(wú)法接受的核心點(diǎn)。

而貝爾實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵問(wèn)題就是:當(dāng)我們測(cè)量糾纏對(duì)中的一個(gè)粒子的自旋方向時(shí),這種測(cè)量行為,會(huì)如何影響另一個(gè)粒子的自旋方向?這個(gè)問(wèn)題的答案,直接決定了玻爾與愛(ài)因斯坦之爭(zhēng)的勝負(fù)。

我們可以分兩種情況來(lái)分析:

情形一:愛(ài)因斯坦是正確的,存在隱變量,且定域性成立。



在這種情況下,每個(gè)粒子在產(chǎn)生的那一刻,其自旋方向(以及所有可能的測(cè)量結(jié)果)就已經(jīng)由隱變量確定了,并且獨(dú)立存在于粒子自身內(nèi)部。之后,我們對(duì)其中一個(gè)粒子的任何操作(包括測(cè)量),都不會(huì)對(duì)另一個(gè)粒子產(chǎn)生任何影響。當(dāng)我們測(cè)量?jī)蓚€(gè)粒子的自旋方向時(shí),兩者的結(jié)果會(huì)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系——因?yàn)樗鼈冊(cè)诋a(chǎn)生時(shí)就已經(jīng)關(guān)聯(lián)(自旋方向相反),但這種對(duì)應(yīng)關(guān)系,與我們選擇的測(cè)量方向沒(méi)有關(guān)聯(lián)。也就是說(shuō),即使我們選擇不同的測(cè)量方向,兩個(gè)粒子的自旋方向可能相反,也可能相同,不存在必然的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種情況下,實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)滿足貝爾不等式。

情形二:玻爾是正確的,不存在隱變量,波函數(shù)是對(duì)量子現(xiàn)實(shí)的完整描述。在這種情況下,在粒子產(chǎn)生與被測(cè)量之間,電子和正電子只以包含所有可能狀態(tài)的波函數(shù)形式存在,它們的自旋方向是不確定的。當(dāng)我們對(duì)其中一個(gè)粒子的自旋方向進(jìn)行測(cè)量時(shí),會(huì)使整個(gè)糾纏波函數(shù)瞬間坍縮為具體的固定值,兩個(gè)粒子會(huì)在我們所選擇的測(cè)量方向上,呈現(xiàn)出相反的自旋方向。

這種情況下,我們?yōu)榍耙粋€(gè)粒子選擇的測(cè)量方向,與之后測(cè)量另一個(gè)粒子得到的自旋方向,會(huì)存在明確的關(guān)聯(lián)——也就是說(shuō),兩者的自旋方向必然相反。這正是愛(ài)因斯坦所嘲諷的“幽靈般的超距作用”,也是哥本哈根詮釋的核心預(yù)言。這種情況下,實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)違背貝爾不等式。



貝爾不等式的提出,為這場(chǎng)世紀(jì)之爭(zhēng)提供了一個(gè)可驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn),但實(shí)驗(yàn)的實(shí)施,卻面臨著巨大的困難。因?yàn)榧m纏量子態(tài)極其脆弱,任何微小的外界干擾(比如溫度變化、電磁輻射、粒子碰撞等),都會(huì)破壞兩個(gè)粒子之間的糾纏關(guān)系,導(dǎo)致波函數(shù)提前坍縮,實(shí)驗(yàn)結(jié)果失效。因此,在貝爾提出實(shí)驗(yàn)方案后的近20年里,始終沒(méi)有人能夠成功完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

直到上世紀(jì)80年代,法國(guó)物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩(原文阿蘭-阿佩斯為翻譯誤差,標(biāo)準(zhǔn)譯法為阿蘭·阿斯佩)終于攻克了這一難題,成功完成了第一個(gè)驗(yàn)證貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)。與貝爾最初設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)不同,阿斯佩沒(méi)有使用自旋糾纏的電子和正電子對(duì),而是使用了偏振糾纏的光子對(duì)——光子的偏振,指的是光子電磁場(chǎng)的振動(dòng)方向,其原理與電子自旋的糾纏是相似的:兩個(gè)糾纏的光子,其偏振方向必然存在某種固定的關(guān)聯(lián),在沒(méi)有測(cè)量之前,它們的偏振方向處于疊加態(tài),只有在測(cè)量時(shí),才會(huì)坍縮為確定的方向。

阿斯佩的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)非常精密,他通過(guò)特殊的裝置,產(chǎn)生了大量的偏振糾纏光子對(duì),并將它們分別發(fā)送到兩個(gè)相隔一定距離的測(cè)量?jī)x器中。實(shí)驗(yàn)中,他不斷改變其中一個(gè)光子的測(cè)量方向,然后記錄下兩個(gè)光子的偏振測(cè)量結(jié)果,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,讓整個(gè)物理學(xué)界震驚:阿斯佩發(fā)現(xiàn),對(duì)一個(gè)光子選擇的偏振測(cè)量方向,與其糾纏對(duì)象最終測(cè)得的偏振方向之間,存在著明確的關(guān)聯(lián),這種關(guān)聯(lián)程度,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了貝爾不等式的限制——也就是說(shuō),貝爾不等式被違背了!更令人震驚的是,阿斯佩通過(guò)巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),使得兩個(gè)糾纏光子之間的影響,只能以超光速的速度傳播——也就是說(shuō),這種影響的傳播速度,最低都比光速還要快,完全違背了定域性原則。

阿斯佩的實(shí)驗(yàn),是量子力學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。在那之后,世界各地的科學(xué)家們,不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置,在越來(lái)越大的尺度上,重復(fù)驗(yàn)證了這一結(jié)果。有科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中,將糾纏光子分開(kāi)數(shù)米、數(shù)十米,甚至數(shù)公里的距離,依然觀測(cè)到了那種瞬間的、超距的影響。這些實(shí)驗(yàn)都一致證明:貝爾不等式確實(shí)被違背了,波函數(shù)不可能存在定域隱變量——愛(ài)因斯坦的隱變量理論,被實(shí)驗(yàn)徹底否定了。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來(lái)后,一個(gè)新的問(wèn)題擺在了物理學(xué)家們面前:貝爾不等式被違背,是否就意味著哥本哈根詮釋是完全正確的,同時(shí)否定了定域性和實(shí)在性?我們真的生活在一個(gè)時(shí)有時(shí)無(wú)的宇宙中,在我們不看它的時(shí)候,它就會(huì)消失在量子抽象的疊加態(tài)之中嗎?

答案并沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。事實(shí)上,貝爾不等式被違背,只是證明了“定域?qū)嵲谡摗笔清e(cuò)誤的,但這并不意味著我們必須同時(shí)放棄定域性和實(shí)在性——它只意味著,我們必須放棄其中之一,或者找到一種全新的解釋,來(lái)兼顧兩者。

貝爾博士本人,在看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果后,也曾表示:違背他的不等式,否定的只是定域性,而實(shí)在性是可以被保留的。也就是說(shuō),我們可以依然堅(jiān)信,宇宙是客觀存在的,獨(dú)立于觀測(cè)者的意識(shí)之外,但我們必須接受,宇宙是非定域的——糾纏粒子之間,確實(shí)存在著瞬間的、超距的相互影響。



非定域性,這個(gè)看似違背相對(duì)論的概念,其實(shí)與相對(duì)論并不矛盾。相對(duì)論的核心要求,是因果律的維持——即信息不能超光速傳播,因?yàn)槿绻畔⒖梢猿馑賯鞑?,就?huì)出現(xiàn)“時(shí)光倒流”的悖論,違背我們對(duì)因果關(guān)系的基本認(rèn)知。而所有的量子糾纏實(shí)驗(yàn)中,雖然糾纏粒子之間的影響是瞬間的、超距的,但這種影響,并不能用來(lái)傳遞任何有用的信息。

具體來(lái)說(shuō),當(dāng)我們測(cè)量一個(gè)糾纏粒子的狀態(tài)時(shí),雖然另一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)瞬間坍縮,但我們無(wú)法控制這個(gè)坍縮的結(jié)果——它是隨機(jī)的、不可預(yù)測(cè)的。我們只能在測(cè)量完成后,將兩個(gè)粒子的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,才能發(fā)現(xiàn)它們之間的關(guān)聯(lián);而在測(cè)量之前,我們無(wú)法通過(guò)改變一個(gè)粒子的狀態(tài),來(lái)傳遞任何信息給另一個(gè)粒子。因此,這種超距影響,并不會(huì)違背相對(duì)論的因果律,宇宙也成功避免了信息超光速傳播或逆時(shí)傳遞的悖論。

直到今天,哥本哈根詮釋依然是量子力學(xué)中最被廣泛接受的詮釋之一,它與所有的量子觀測(cè)結(jié)果都相符,玻爾那種“時(shí)有時(shí)無(wú)”的宇宙觀,也可能正是我們所生存的宇宙的真實(shí)面貌。但這并不意味著,哥本哈根詮釋是唯一的答案——事實(shí)上,隨著量子力學(xué)的不斷發(fā)展,科學(xué)家們提出了多種不同的詮釋,來(lái)解釋量子糾纏和貝爾不等式被違背的現(xiàn)象,其中最具代表性的,就包括隱變量理論的延伸(非定域隱變量)、蟲(chóng)洞詮釋和多重宇宙詮釋。

非定域隱變量理論,是愛(ài)因斯坦隱變量理論的延伸。它承認(rèn)貝爾不等式被違背,放棄了定域性原則,但依然保留了實(shí)在性——也就是說(shuō),宇宙是客觀存在的,量子系統(tǒng)的狀態(tài),依然由某種隱變量決定,但這種隱變量,是非定域的,它可以在瞬間影響到相隔遙遠(yuǎn)的糾纏粒子。這種理論,既保留了愛(ài)因斯坦所堅(jiān)持的實(shí)在性,又解釋了量子糾纏的超距影響,雖然目前還沒(méi)有被實(shí)驗(yàn)證實(shí),但依然是一種有影響力的詮釋。

而蟲(chóng)洞詮釋,則為量子糾纏的超距影響提供了一種全新的物理機(jī)制。



蟲(chóng)洞,又稱愛(ài)因斯坦-羅森橋,是相對(duì)論預(yù)言的一種時(shí)空結(jié)構(gòu),它可以連接宇宙中兩個(gè)相隔遙遠(yuǎn)的點(diǎn),形成一條“時(shí)空捷徑”。根據(jù)蟲(chóng)洞詮釋,糾纏的粒子之間,可能就存在著這樣的微型蟲(chóng)洞,它們之間的瞬間影響,并不是超光速傳播,而是通過(guò)蟲(chóng)洞進(jìn)行的“時(shí)空穿越”,這種方式,既不違背相對(duì)論,又能解釋量子糾纏的詭異現(xiàn)象。雖然目前蟲(chóng)洞還沒(méi)有被直接觀測(cè)到,但這一詮釋,為量子力學(xué)與相對(duì)論的統(tǒng)一,提供了一種新的思路。

最令人著迷,也最具爭(zhēng)議的,當(dāng)屬多重宇宙詮釋。這種詮釋認(rèn)為,我們的宇宙,只是無(wú)數(shù)個(gè)平行宇宙中的一個(gè)。當(dāng)我們對(duì)一個(gè)量子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí),波函數(shù)并不會(huì)坍縮,而是會(huì)分裂成多個(gè)分支——每個(gè)分支,對(duì)應(yīng)著量子系統(tǒng)的一種可能狀態(tài),而每個(gè)分支,都會(huì)形成一個(gè)獨(dú)立的平行宇宙。也就是說(shuō),當(dāng)我們測(cè)量一個(gè)糾纏粒子的自旋方向時(shí),在我們的宇宙中,它的自旋方向是向上的;而在另一個(gè)平行宇宙中,它的自旋方向是向下的;同時(shí),它的糾纏對(duì)象,也會(huì)在對(duì)應(yīng)的平行宇宙中,呈現(xiàn)出相反的自旋方向。



多重宇宙詮釋的神奇之處在于,它既不需要放棄定域性,也不需要放棄實(shí)在性——量子糾纏的超距影響,其實(shí)是不同平行宇宙之間的“關(guān)聯(lián)”,而不是同一個(gè)宇宙中粒子之間的超距作用。這種詮釋,雖然聽(tīng)起來(lái)非??苹茫踔劣行╇x奇,但它能夠完美解釋所有的量子現(xiàn)象,包括貝爾不等式被違背的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,因此,受到了越來(lái)越多科學(xué)家和宇宙愛(ài)好者的關(guān)注。

回到我們最初的話題:嬰兒的量子直覺(jué)。嬰兒缺乏客體永久性,認(rèn)為“看不見(jiàn)就不存在”,這與哥本哈根詮釋中“觀測(cè)創(chuàng)造現(xiàn)實(shí)”的觀點(diǎn),有著驚人的相似之處?;蛟S,人類天生就帶有一種對(duì)量子世界的感知,只是隨著我們長(zhǎng)大,客體永久性的認(rèn)知逐漸形成,這種量子直覺(jué)被慢慢掩蓋。而量子力學(xué)的發(fā)展,或許就是讓我們重新找回這種直覺(jué),重新認(rèn)識(shí)宇宙的本質(zhì)。

玻爾與愛(ài)因斯坦的世紀(jì)之爭(zhēng),雖然已經(jīng)過(guò)去了近百年,但它依然深刻影響著我們對(duì)宇宙的認(rèn)知。貝爾不等式的被違背,讓我們放棄了定域?qū)嵲谡摚沧屛覀兛吹搅擞钪娴母嗫赡苄浴嵌ㄓ蛐?、蟲(chóng)洞、平行宇宙……這些曾經(jīng)只存在于科幻小說(shuō)中的概念,如今都成為了物理學(xué)研究的前沿課題。

我們或許永遠(yuǎn)無(wú)法完全理解量子世界的詭異邏輯,也無(wú)法確定哪一種量子詮釋是絕對(duì)正確的。但正是這種探索和爭(zhēng)論,推動(dòng)著物理學(xué)的不斷發(fā)展,讓我們一步步接近宇宙的終極真相。就像嬰兒在躲貓貓中探索世界一樣,人類也在量子力學(xué)的詭異世界中,不斷探索著現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)——而這,或許就是科學(xué)最迷人的地方。

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