我們由來已久的直覺是，要移動一塊石頭，就必須觸控那塊石頭，或者觸控一根接觸石頭的棍子，或者發出一個命令，透過空氣中的振動傳到拿著棍子的人的耳朵裡，然後那個人就可以推石頭——或者諸如此類的順序。更一般地說，這種直覺是，事物只能直接影響緊挨著它們的其他事物。如果 A 沒有緊挨著 B 就影響了 B，那麼所討論的影響一定是間接的——所討論的影響一定是某種透過一系列事件傳遞的東西，在這一系列事件中，每個事件直接地引起下一個事件，以一種平滑地跨越從 A 到 B 的距離的方式。每次我們認為我們可以想出一個與這種直覺相悖的例外——例如，撥動一個開關，開啟城市路燈（但隨後我們意識到這是透過電線發生的）或收聽 BBC 無線電廣播（但隨後我們意識到無線電波在空氣中傳播）——結果證明，事實上，我們並沒有想到一個例外。至少在我們的日常世界經驗中是如此。
我們將這種直覺稱為“局域性”。
量子力學顛覆了許多直覺，但沒有一個比這個更深刻。而這種特殊的顛覆帶來了一種威脅，這種威脅尚未解決，對狹義相對論——我們 21 世紀物理學的基礎石——構成了威脅。
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
來自外太空的東西 讓我們稍微回顧一下。在量子力學出現之前，事實上可以追溯到對自然進行科學研究的最初開端，學者們認為，原則上，可以透過逐一描述世界上最小和最基本的物理組成部分，來獲得對物理世界的完整描述。世界的完整故事可以表達為組成部分故事的總和。
量子力學違反了這種信念。
粒子集合的真實、可測量的物理特徵，可以以一種完全具體的方式，超過或逃避或與單個粒子的特徵總和無關。例如，根據量子力學，可以安排一對粒子精確地相距兩英尺，但它們中的任何一個粒子本身都沒有確定的位置。此外，理解量子物理學的標準方法，即所謂的哥本哈根詮釋——由偉大的丹麥物理學家尼爾斯·玻爾在上個世紀早期提出，並代代相傳——堅持認為，這並不是我們不知道關於單個粒子確切位置的事實；而是根本沒有這樣的事實。詢問單個粒子的位置，就像詢問數字五的婚姻狀況一樣毫無意義。問題不是認識論的（關於我們所知道的），而是本體論的（關於存在的事物）。
物理學家說，以這種方式相關的粒子在量子力學上彼此糾纏。糾纏的屬性不一定是位置：兩個粒子可能以相反的方式自旋，但沒有一個明確地順時針旋轉。或者，可能只有一個粒子被激發，但沒有一個是明確的被激發的那個。糾纏可以連線粒子，而不管它們在哪裡，它們是什麼，以及它們可能對彼此施加什麼力——原則上，它們完全有可能是一個電子和一箇中子，位於銀河系的兩側。因此，糾纏創造了一種物質之間前所未有的親密關係。
糾纏是量子計算和量子密碼學這些新興且極具前景的領域背後的基礎，這些領域可以提供解決某些超出普通計算機實際範圍的問題的能力，以及以保證安全免受竊聽的方式進行通訊的能力 [參見“離子量子計算”，作者 Christopher R. Monroe 和 David J. Wineland；大眾科學，2008 年 8 月]。
但是，糾纏似乎也蘊含著一種深刻的、令人毛骨悚然的且徹底違反直覺的現象，稱為非局域性——在不觸控某物或不觸控任何從這裡到那裡的實體序列的情況下，物理地影響某物的可能性。非局域性意味著，在得梅因的一個拳頭可以打斷達拉斯的鼻子，而不會影響到任何其他物理事物（不是空氣分子，不是電線中的電子，不是心土中任何地方的閃爍光芒）。
除了其內在的怪異性之外，對非局域性的最大擔憂是，它暗示著對我們所知的狹義相對論的深刻威脅。在過去的幾年裡，這種舊的擔憂——最終被允許進入關於物理學的嚴肅思考的殿堂——已成為爭論的中心，這些爭論可能最終會拆除、扭曲、重新構想、鞏固或播下衰敗的種子，進入物理學的最基礎。
對現實的徹底修正 阿爾伯特·愛因斯坦對量子力學有很多擔憂。關於其偶然性的過度引用的擔憂（“上帝不擲骰子”）只是其中之一。但他正式表達的唯一反對意見，他唯一費心寫論文的意見，是關於量子力學糾纏的古怪之處。這種反對意見是現在被稱為 EPR 論證的核心，該論證以其三位作者，愛因斯坦和他的同事鮑里斯·波多爾斯基和內森·羅森的名字命名。在他們 1935 年的論文“量子力學對物理現實的描述可以被認為是完備的嗎？”中，他們用一個嚴謹推理的“否”來回答他們自己的問題。
他們的論證關鍵地使用了量子力學配方或數學演算法中的一個特定指令，用於預測實驗結果。假設我們測量一個粒子的位置，該粒子與第二個粒子在量子力學上糾纏——因此，如上所述，它們中的任何一個粒子都沒有精確的位置。自然地，當我們瞭解測量結果時，我們改變了對第一個粒子的描述，因為我們現在知道它在某一時刻的位置。但該演算法也指示我們改變對第二個粒子的描述，並瞬時地改變它，無論它可能有多遠，或者兩個粒子之間可能存在什麼。
糾纏是量子力學呈現給物理學家的世界圖景中一個無可爭議的事實，但這是一個其含義在愛因斯坦之前沒有人認真思考過的事實。他在糾纏中看到了某種不僅僅是奇怪的東西，而是可疑的東西。它讓他感到毛骨悚然。它似乎，特別是，是非局域的。
當時沒有人準備好接受世界中存在真正的物理非局域性的可能性——不是愛因斯坦，不是玻爾，也不是任何人。愛因斯坦、波多爾斯基和羅森在他們的論文中理所當然地認為，量子力學的表面上的非局域性一定只是表面的，它一定是某種數學上的異常或符號上的不恰當，或者，無論如何，它一定是該演算法的可有可無的產物——當然可以炮製出量子力學對實驗的預測，而不需要任何非局域步驟。
在他們的論文中，他們提出了一個論證，大意是，如果（正如每個人所假設的那樣）世界中不存在真正的物理非局域性，並且如果量子力學的實驗預測是正確的，那麼量子力學一定遺漏了世界某些方面的描述。一定有世界故事的某些部分是它未能提及的。
玻爾幾乎在一夜之間就回應了 EPR 論文。他匆忙寫成的反駁信沒有涉及該論文的任何具體科學論點，而是以一種晦澀難懂，有時甚至完全是神諭的方式，質疑其對“現實”一詞的使用及其對“物理現實要素”的定義。他詳細討論了主體和客體之間的區別，在什麼條件下提問才是有意義的，以及人類語言的本質。根據玻爾的說法，科學所需要的是“對我們關於物理現實的態度進行徹底的修正”。
玻爾特意同意 EPR 論文中的一點：當然，不可能存在真正的物理非局域性。他認為，表面上的非局域性只是我們必須放棄那種古老且過時的渴望的另一個原因，這種渴望在 EPR 論文中如此明顯，即能夠從量子力學的方程中解讀出現實的世界圖景——一個關於從此刻到彼刻實際存在的事物的圖景。玻爾實際上堅持認為，我們不僅透過昏暗的玻璃看世界，而且這種模糊不清的觀點與任何真實的事物一樣真實。
玻爾對一個明確的科學問題做出了一個奇怪的哲學回應。更奇怪的是，玻爾的回應被奉為理論物理學的官方福音。此後，再花更多時間在這些問題上就變成了叛教。因此，物理學界背棄了他們揭示世界真實面貌的舊有願望，並在很長一段時間內將形而上學問題降級為幻想文學。
即使在今天，愛因斯坦遺產的這個關鍵部分仍然非常模糊。2007 年暢銷書沃爾特·艾薩克森的愛因斯坦傳記只是向讀者保證，愛因斯坦對量子力學的批評此後已得到解決。但事實並非如此。
被壓抑者的迴歸 對 EPR 論證的第一次嚴肅的科學參與是在（或多或少完全被忽視 30 年後）非凡的愛爾蘭物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾 1964 年的一篇著名論文中出現的。從貝爾的工作中可以看出，玻爾錯了，他的量子力學理解並沒有錯，而愛因斯坦也錯了，錯在玻爾理解的什麼地方。要理解真正錯誤的地方，就必須放棄局域性的概念。
關鍵問題是，至少在量子力學演算法中出現的非局域性僅僅是表面的，還是更深層次的東西。貝爾似乎是第一個問自己這個問題到底意味著什麼的人。是什麼使真正的物理非局域性與僅僅是表面的非局域性區分開來？他推斷，如果存在任何明顯且完全域性域的演算法，其對實驗結果的預測與量子力學演算法的預測相同，那麼愛因斯坦和玻爾將有理由駁回量子力學中的非局域性，認為它僅僅是該特定形式主義的產物。相反，如果沒有演算法可以避免非局域性，那麼它們一定是真正的物理現象。然後，貝爾分析了一個特定的糾纏場景，並得出結論，在數學上不可能存在這樣的局域演算法。
因此，實際的物理世界是非局域的。句號。
這個結論顛覆了一切。愛因斯坦、玻爾和其他所有人一直認為，量子力學與局域性原則之間的任何真正的不相容都將對量子力學不利。但貝爾現在已經表明，局域性不僅與量子力學的抽象理論體系不相容，而且也與其某些經驗預測不相容。實驗者——尤其是法國帕萊索光學研究所的阿蘭·阿斯佩及其同事在 1981 年及之後的工作——已經毫無疑問地表明，這些預測確實是正確的。那麼，壞訊息不是針對量子力學，而是針對局域性原則——因此，大概也針對狹義相對論，因為它至少看起來依賴於局域性的假設。
形而上學的神秘之旅 對貝爾工作的最主要反應——即使在今天，在許多方面仍然存在——仍然是更多的混淆。貝爾已經表明，任何能夠重現量子力學對糾纏粒子對的經驗預測的理論——包括量子力學本身——都必須是真正的物理非局域的。
這個資訊幾乎被忽略了。相反，幾乎每個人都說，貝爾表明的是，任何試圖用更符合我們經典形而上學期望的東西來取代正統量子力學世界圖景的嘗試——任何所謂的隱變數、決定論或哲學實在論理論——如果它能夠重現量子力學對 EPR 系統的預測，就必須是非局域的。人們至少在閱讀貝爾的作品，但就好像透過凸面鏡觀看一樣。
只有極少數物理學家設法避免了這種特殊的誤解，並理解了貝爾的證明和阿斯佩的實驗意味著世界本身已被發現是非局域的，但即使是他們也幾乎普遍認為，這裡所討論的非局域性對狹義相對論沒有構成特殊的威脅。
這種信念源於這樣一種觀念，即狹義相對論與不可能以快於光速的速度傳輸資訊密切相關。畢竟，如果狹義相對論是正確的，人們可以論證，任何資訊的物質載體都不能從靜止加速到大於光速的速度。人們可以論證，根據某些時鐘，以快於光速傳輸的資訊將是先於傳送到達的資訊，可能會引發所有時間旅行的悖論。
早在 1932 年，傑出的匈牙利數學家約翰·馮·諾伊曼就證明，量子力學的非局域性永遠不能被轉化為瞬時傳輸資訊的機制。幾十年來，幾乎整個理論物理學界都將馮·諾伊曼的證明視為量子力學非局域性和狹義相對論可以完全和平共處的保證。
非局域經驗的種類 在貝爾的論文發表 30 年後，物理學家才最終正視這些問題。第一次清晰、持續、邏輯上完美無瑕且毫不妥協地坦率討論量子非局域性和相對論的文章出現在 1994 年，由羅格斯大學的蒂姆·莫德林撰寫的一本標題恰好是《量子非局域性與相對論》的書中。他的工作突出了非局域性與狹義相對論的相容性是一個比傳統上基於瞬時資訊的陳詞濫調讓我們相信的更為微妙的問題。
莫德林的工作發生在智力環境發生深刻轉變的背景下。從 20 世紀 80 年代早期開始，玻爾的信念——亞原子世界不可能有老式的、哲學上現實主義的解釋——開始在各處明顯地減弱。到那時，許多有希望的具體科學提議似乎提供了一種很好的解釋，至少在忽略狹義相對論效應的近似中是如此。這些提議包括英國的大衛·玻姆的玻姆力學（在 20 世紀 50 年代早期發展起來，是貝爾工作的靈感，但在其他方面基本上被忽視）和義大利的吉安卡洛·吉拉爾迪、阿爾貝託·裡米尼和圖裡奧·韋伯的 GRW 模型 [參見“玻姆的量子力學替代方案”，作者 David Z Albert；大眾科學，1994 年 5 月]。物理學作為形而上學指南，直接且直截了當地告訴我們世界實際是什麼樣子的舊有願望——這些願望已經休眠和被忽視了 50 多年——開始慢慢地重新覺醒。
莫德林的書重點關注了三個要點。首先，狹義相對論是對空間和時間的幾何結構的斷言。不可能以快於光速的速度傳輸質量或能量或資訊或因果影響——這些要求本身甚至遠不足以保證該理論關於幾何結構的斷言是正確的。因此，馮·諾伊曼關於資訊傳輸的證明本身並不能向我們保證量子力學非局域性和狹義相對論可以和平共處。
其次，狹義相對論的真實性（實際上）與大量假設的機制完全相容，這些機制用於以快於光速的速度傳輸質量和能量以及資訊和因果影響。例如，在 20 世紀 60 年代，哥倫比亞大學的傑拉爾德·範伯格發表了一個內部一致且完全相對論的假設粒子種類——快子——的理論，對於這種粒子來說，物理上永遠不可能以慢於光速的速度運動。莫德林發明了其他例子。
因此，量子力學中非局域性的單純存在本身並不意味著量子力學不能與狹義相對論共存。所以也許還有希望。
然而，正如莫德林在他的第三點中強調的那樣，我們在量子力學中遇到的特定種類的超距作用與範伯格的快子或莫德林的其它例子所例證的那種完全不同。量子力學粒子可以非局域地相互影響的方式的神秘之處在於，它不取決於粒子的空間排列或它們的內在物理特性——正如前面段落中提到的所有相對論影響那樣——而只取決於所討論的粒子是否在量子力學上彼此糾纏。
在量子力學中遇到的那種非局域性似乎需要絕對的同時性，這將對狹義相對論構成非常真實和不祥的威脅。
這就是癥結所在。
狹義相對論的希望？ 在過去的幾年裡，從這場討論中湧現出兩個新的結果——朝著截然不同的方向發展。第一個結果提出了一種量子力學非局域性可以與狹義相對論相相容的方式；另一個結果揭示了量子力學和狹義相對論的結合對我們對世界最深刻直覺的新打擊。
第一個結果出現在年輕的德國數學家羅德里奇·圖穆爾卡（現任職於羅格斯大學）2006 年發表的一篇令人震驚的論文中。圖穆爾卡展示瞭如何透過巧妙地修改 GRW 理論（回想一下，該理論提出了一種哲學上現實主義的方式來獲得許多情況下的量子力學預測）來重現量子力學對糾纏粒子對的所有經驗預測。這種修改是非局域的，但它與狹義相對論的時空幾何結構完全相容。
這項工作仍處於起步階段。還沒有人能夠寫出令人滿意的圖穆爾卡理論版本，該版本可以應用於相互吸引或排斥的粒子。此外，他的理論在自然規律中引入了一種新的非局域性——不僅在空間上，而且在時間上也是非局域的！要使用他的理論來確定接下來會發生什麼的機率，不僅必須插入世界當前的完整物理狀態（這在物理理論中是慣例），還必須插入關於過去的某些事實。這個特徵和其他一些特徵令人擔憂，但圖穆爾卡肯定消除了一些莫德林的擔憂，即量子力學非局域性無法與狹義相對論和平共處。
另一個最近的結果，由我們中的一位（阿爾伯特）發現，表明結合量子力學和狹義相對論需要我們放棄另一個原始信念。我們相信，關於世界的一切都可以原則上以敘述或故事的形式表達出來。或者，用更精確和技術性的術語來說：一切可以表達的東西都可以打包成一組無限的命題，形式為“在 t1 時，這是世界的精確物理狀態”和“在 t2 時，那是世界的精確物理狀態”，等等。但是量子力學糾纏現象和狹義相對論的時空幾何結構——結合在一起——意味著世界的物理歷史在無限程度上過於豐富，無法做到這一點。
問題在於，狹義相對論傾向於以一種方式將空間和時間混合在一起，這種方式將不同物理系統之間的量子力學糾纏轉變為類似於不同時間物理狀況之間的糾纏——這種糾纏以一種完全具體的方式超過或逃避或與不同時間瞬間的任何狀況總和無關。
與量子力學中的大多數理論結果一樣，該結果涉及操縱和分析一個稱為波函式的數學實體，波函式是埃爾溫·薛定諤在八十年前引入的概念，用於定義量子態。物理學家從波函式中推斷出糾纏的可能性（實際上是必然性）、粒子具有不確定位置等等。波函式是關於量子力學非局域效應的謎題的核心。
但是，它到底是什麼？物理學基礎研究人員現在正在積極地辯論這個問題。波函式是一個具體的物理物件，還是類似於運動定律或粒子的內在屬性或空間點之間的關係？或者它僅僅是我們當前關於粒子的資訊？或者什麼？
量子力學波函式無法在任何小於令人難以置信的高維空間（稱為組態空間）的數學空間中表示。如果，正如一些人認為的那樣，波函式需要被認為是具體的物理物件，那麼我們需要認真對待這樣一種觀點，即世界的歷史不是在我們日常經驗的三維空間或狹義相對論的四維時空中展開，而是在這個巨大且陌生的組態空間中展開，從這個空間中，三維的幻覺以某種方式出現。我們三維的局域性概念也需要被理解為湧現的。量子物理學的非局域性可能是我們瞭解這個更深層次現實的視窗。
在狹義相對論被提出給世界僅僅一個多世紀之後，它的地位突然變成了一個徹底開放且快速發展的問題。這種情況的出現是因為物理學家和哲學家最終跟進了愛因斯坦長期以來被忽視的與量子力學的論證的遺留問題——這是一個充滿諷刺意味的進一步證明愛因斯坦天才的證據。這位被貶低的宗師很可能在我們認為他正確的地方錯了，而在我們認為他錯誤的地方對了。事實上，我們或許可以透過沒有那麼昏暗的玻璃來看待宇宙，而不是長期以來堅持認為的那樣。
編者注：本文最初發表時的標題為“量子力學對狹義相對論的威脅”