文/姚斌

《纠缠》是一本由“交谈”构成的书，展现了物理学家之间频繁的意见交换是如何改变了量子物理学发展方向的。在这其中，我感觉到了一种闪耀的哲学光芒，一种深邃的科学思想，进而可能有望达到理解世界本质的状态。科学的力量在于它能够消除历史的偶然性，直抵纯粹的知识。这样的知识是由一个个身处特定时间和地点，各自身怀独特激情的人，一点一滴积累而成的。受限于具体情况，科学会沿着某些特定方向发展。量子物理学就是属于这一种。

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任何时候，只要两个实体相互作用，就会发生“量子纠缠”。这与它们是光子(光的微粒)、原子(物质的微粒)，还是由原子构成的更大实体，诸如尘埃、显微镜、猫或人，完全没有关系。不管这些实体离得有多远，只要它们不再与其他东西发生相互作用，量子纠缠就会一直保持作用。

但是，亚原子粒子的运动确实受到量子纠缠的支配。当它们相互作用时，量子纠缠就开始了，在这种情况下，它们失去了独立的存在状态。无论它们相距多远，只要其中一个受到调整、测量或观察，另一个似乎就会立即作出反应，纵然它们之间横亘着整个世界。没有人知道这是怎么实现的。

尽管看起来很奇怪，但这种关联却时刻都在发生。而我们能知道这件事，则要归功于约翰·贝尔的工作。1964年，约翰·贝尔就量子力学为主题的第二篇论文简明而优美地表明了纠缠的存在，这是两个粒子之间的某种神奇关联。约翰·贝尔延伸和深化了阿尔伯特·爱因斯坦在同一主题上的一篇论文，该论文由爱因斯坦和他的同事鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森于1935年共同完成（即以三人姓氏的首字母简称的“EPR佯谬”）。

这篇论文在此之前一直饱受冷嘲热讽，直到约翰·贝尔为其正名40年后，才以绝对的优势成为爱因斯坦所有光彩夺目、影响深远的作品中被引用最频繁的一篇。同时，它也是20世纪下半叶最具影响力的物理学杂志《物理评论》中被引用最频繁的论文。量子纠缠现象(尤其是微距上的纠缠，比如在一个氢分子当中)在20世纪初，也就是量子理论的初期便为人所知。然而，直到约翰·贝尔才以简洁的代数和深邃的思想为破解EPR佯谬开辟了道路。

量子力学所蕴含的种种神秘难解之处，在其创立者中引发了不同反应，形成的主要4种思潮：主流派、少数派、不可知论派和单纯的误解。其中三位创立者尼尔斯·玻尔、维尔纳·海森堡和沃尔夫冈·泡利给出了主流解释，这一解释后来以“哥本哈根诠释”为人所熟知。而包括爱因斯坦在内的其他三位创立者则是少数派。他们相信自己苦心培育的量子理论中有某些东西“不对劲”。

这种由不同反应所引发的混乱，对量子力学的未来前景产生了巨大影响，因为量子力学离不开诠释，就如同鱼离不开水。这一事实本身也恰恰表明了量子理论与过往的科学大不相同。对于一个前量子时代的经典物理学方程来说，只要其中的术语得到了明确的定义，那么方程本身就其意自明。但经过量子革命以后，方程本身不再不言自明。这时，只有通过某种诠释，它们才能描述这个自然世界。

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尼尔斯·玻尔是哥本哈根理论物理研究所的创始人。他试图以所谓的“互补性”概念来解释纠缠难题。互补性要求人们接受量子世界的诸多悖论是内在的，无法通过找出“底下到底有什么”而加以“解决”或规避，而且他以一种不同寻常的方式使用这个词：举例来说，波动性和粒子性(或位置和动量)的互补意味着，当其中一个属性完全存在时，与其互补的另一个属性就完全不存在。

为了对微观的量子世界进行观察，玻尔强调，必须存在一个不具有互补性的宏观“经典”世界(一个行星绕转、苹果落下的世界，它可以用艾萨克·牛顿的经典力学很好的加以解释)，作为观察的平台。波和粒子都是“抽象概念，其属性只有通过它们与其他体系的相互作用才可定义和可观测”，并且这些“其他体系”必须是“经典的”，比如一台测量仪器。也就是说，我们必须使用“经典”语言讨论量子事物，尽管它对描述量子事物并不合适；并且我们能否认识到一个量子对象的某个属性的存在，总取决于我们是否能找到另一个体系，量子能以“经典”方式与该体系发生相互作用。因此，不无矛盾的是，由量子体系构成的经典体系在描述量子体系时不可或缺。

尼尔斯·玻尔的支持者维尔纳·海森堡和沃尔夫冈·泡利甚至更进一步，认为量子世界在某种意义上是由我们观察所创造或改变的，毕竟原子在测量之前看上去不具备任何属性。

早在1909年，阿尔伯特，爱因斯坦就刚开始忧虑，因为量子理论暗示，一个世界有不可分离的、不是相互独立的部分组成。当爱因斯坦尝试把单个粒子当作个体来分析时，这些粒子之间似乎彼此施加了“一种性质相当神秘的相互影响”，甚至是以他戏称为“幽灵般的超距作用”或“某种心灵感应似的耦合”来互相作用的。在爱因斯坦看来，这清楚地表明了量子理论中存在致命缺陷。

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埃尔温·薛定谔则向人们表明，从表面上看，量子理论当中蕴含的一种异乎寻常的悖论。如果我们不全盘接受尼尔斯·玻尔的观点，即像一只猫那样的宏观事物并不遵循量子力学的法则，那么我们可以证明那只猫会同时处于既死又生的状态。因此，埃尔温·薛定谔试图在抛弃哥本哈根诠释的“波粒二象性”的基础上，完全用自己的方程（即薛定谔方程）来描述这个世界，但他始终未能如愿。

之后，路易·德布罗意也提出了另一种版本的量子理论，其中，薛定谔方程描述了一种速度比光速还快的远程力，它如幽灵一般导引着构成这个世界的各个粒子。几十年来，这种诠释是有很多名字，最常见的是“隐变量理论”。对于路易·德布罗意的诠释来说，一个与之相关的重要概念是“与观测者无关的量子理论”——在这样的理论中，粒子的实在性并不依赖于它是否被观察到。

保罗·狄拉克发现的电子方程是量子理论取得最光辉的成果之一。他认为，现在对量子纠缠的讨论还为时尚早，纯属浪费时间，但总有一天它会水落石出。与尼尔斯·玻尔一样，马克斯·玻恩对哥本哈根诠释作出了重要的贡献，但他始终无法理解，为什么其他人要把理论的含义看成如此重要和费解的一个问题。

20世纪30年代以后，爱因斯坦、薛定谔和德布罗意的分析似乎是个死胡同，事实上，量子理论的大多数重大成果却是来自另一个思想流派。然而，在玻尔、海森堡、泡利、狄拉克或玻恩的后继者中，没有人敢尝试去理解、测量，甚至哪怕只是提及所有谜题中最深层次的部分——量子纠缠。就在此时，约翰·贝尔出现了。他追随爱因斯坦、薛定谔和德布罗意的少数派观点，进一步延伸得出了其自然的推论，从而拨开重重迷雾，揭示出谜团之下的奇异景象。

尼尔斯·玻尔曾说过，真理与明晰性是互补的。意思是说，你越试图接近真理，你的表达就越不清晰，反之亦然。但是，约翰·贝尔并不以为然，正如他对尼尔斯·玻尔在战后最出名的弟子之一约翰·惠勒所说的：“我宁可说得明晰却说错，也不要说得模糊而说对。”

玻尔的著作后来成为量子理论的“圣经”，被一代代新的物理学家所诠释和再诠释，但其中充斥了太多的禁令(比如，断言某种东西无法通过思考理解)以及含糊陈述(比如，“互补性”、“不可分性”和“非理性”等)。从量子纠缠的历史来说，它们合起来的价值恐怕也比不上爱因斯坦、薛定谔、德布罗意或约翰·贝尔哪怕一句清晰、明确的话。在某种意义上，这些话都曾为我们打开了一个全新的世界——“嘿！看这儿。”

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约翰·贝尔是世界顶级物理研究中心首屈一指的理论家之一，他被称为欧洲核子研究中心的“圣贤”。约翰·贝尔曾在1989年的“不确定性的62年”会议上发表了《反对“测量”》的颠覆性演讲。在他看来，“测量”在其表述中存在着不可原谅的模糊性，而物理学家们对这种模糊性相当自满，这也是不可原谅的。因此，在62年之后，应该对量子力学的某些重要部分提出精确的表述。

所谓的“精确”，是指量子理论应该用完全准确的术语表述，除了在应用中所必需的一些可操作的近似，不应给理论物理学家留下任何判断空间。所谓的“重要”是指物理学中有些实质性部分应该是隐蔽的。非相对论“粒子”的量子力学足够重要了，因为它包括了“物理学的大部分内容以及全部化学”。用“重要”一词，同样指的是“仪器”不应该从剩余的世界中分离出去，被放入黑匣之中，就像它们不是由原子构成且不受量子力学支配似的。

“我们难道不应该有一个精确的表述吗？”这一问题，通常通过另一个或两个问题的反问来回答。约翰·贝尔设法答复这些问题：为什么困扰？为什么不在一本好书中查阅一下？提出“为什么困扰？”的最出名的人就是保罗·狄拉克。保罗·狄拉克体系区分“第二级困难”(即要尽可能解决的问题)和“第一级困难”，这对于解决问题还不成熟。

假设建立量子力学是为了对抗准确表述，假定当尝试超越“对所有实际运用”的表述时，我们发现，一根不变的指针执着地指向这个问题的外部，指向观察者的意志，指向印度经文，指向上帝，乃至唯一的引力，那不是非常有趣吗？为什么不在一本好书中查阅一下？但查阅哪本好书呢？事实上，一个没有问题的人在经过考虑后，很少会愿意认可一个已经存在于文献中的处理方案。

爱因斯坦说，是理论决定了什么是“可观测的”。约翰·贝尔认为，爱因斯坦是对的——“观测”是一个复杂的理论性很强的工作。那么，这个概念不该出现在基础理论的表述中。在一本好书的坏词条列表上，最糟糕的词就是“测量”。

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约翰·贝尔从保罗·狄拉克的《量子力学》中引用了几个句子，其中“测量”的概念就出现在理论的“基本解释规则”中。例如，保罗·狄拉克写道：“一次测量总要导致系统跃迁至正被测量变量的(一个特定态)。”“系统”是我们在测量的任何物体，比如一个粒子。“变量”是我们正测量的属性，比如粒子的位置。保罗·狄拉克的陈述说的是，测量微观粒子不是去找到它在哪儿，而是促使它出现在某处。当一个电子从一个原子能级上消失，又出现在另一个原子能级上，这种“跃迁”至特定态，就是著名而模糊的“波函数坍缩”，与尼尔斯·玻尔的“量子跃迁”是一码事。量子理论没有描述跃迁。跃迁只是碰巧发生，迫使我们暂时离开自己熟悉的图景。

似乎，量子理论只关心测量结果，对其他任何事情都不关心。约翰·贝尔质问道，到底是什么让某些物理系统有资格担当“测量仪器”的角色？世上的波函数一直等待了数千万年，直到出现了第一个单细胞生物，它才产生跃迁吗？或是它必须等待数千万年，等待某些更有资质……比如具有博士水平的系统出现？在量子力学的基本公理中，对“测量”的第一个指控是，它固定在将世界分成“系统”和“仪器”两部分的变动的缝隙处；第二个指控是，“测量”这个词在量子的语境中完全不相称。

但测量如何与量子力学方程相符呢？为了寻求答案，约翰·贝尔钻研了三本“好书”，包括了狄拉克的那一本。他首先钻研的是列夫·朗道和叶夫根尼·利夫希茨合著的《量子力学》。约翰·贝尔给出选择这本书的原因，其中之一是这本书具有“优秀的血统”。朗道是尼尔斯·玻尔学生，玻尔从未对该理论写过系统性的著作，因此朗道和利夫希茨这本书是我们所拥有的最接近玻尔观念的一本书。

朗道和利夫希茨认同狄拉克“一次测量总会导致系统跃迁”至某一特定状态的说法。此外，描述一个原子属性的可能性“要求存在……服从经典力学的物理对象”。然而，仪器自己，比如一台机器或计算机，是由非决定性的微观原子构成的。它们的弥散态是如何加到机器的普通“经典”行为上的呢？朗道的教材没有提到这个问题，它超越了“量子论和过时但仍然必要的经典理论的关系‘在物理理论中是不同寻常的’”这种论述。

于是，约翰·贝尔转而求助另一本《量子力学》。这本书同样具有“优秀的血统”。其作者库尔德·戈特弗里德受过狄拉克和泡利的指导。戈特弗里德认为，宏观态之间干涉所涉及的“直观而无法解释”的精确条件必须去除，否则，该理论将是“一个空洞的数学形式体系”。去除那些神秘条件后，产生的新叠加可以解释为一系列简单的选项。换句话说，一个人要是看到诸如“猫既是死的也是活的”或“粒子既在这里也在那里”这种令人迷惑的描述，他会理解为：“猫不是死的就是活的”和“粒子不在这里就在那里”。

在以相同形式介绍完第二本好书之后，约翰·贝尔回顾了引领人们“走向精确量子力学”的两次尝试。通过变动的缝隙进行分配，这两次尝试的理论能以同样的方式处理“系统”和“仪器”。第一次尝试，德布罗意-玻姆的非定域隐变量理论设定了一个真实的粒子世界。这些真实的粒子不管是否被观察，都具有真实的位置和动量，而且有神秘的幽灵般的导波引导着。在第二次尝试中，吉拉迪-里米尼-韦伯理论使波函数坍缩从哲学的迷茫变得严密而明确。在修改了薛定谔方程后，使得波函数会“坍缩”至与其自身一致的特征态。贝尔说，指针迅速指示，而且，“薛定谔的猫”很快被杀死或不受伤害。

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尼古拉·吉辛在1997年证明了直线距离为10公里的光子之间的纠缠。他将量子哲学与电信工程——原理与实践——结合在了一起。吉辛说：“量子力学目前已经存在了大约85年，而且主要被视为一个似是而非的数学理论理论，一个奇怪的违反直觉的观点。所以，实际上，它是从一些否定的角度着眼，比如采用如下惯例：你不能同时测量这个和那个东西；你不该描绘基本量子过程的图像；你不能克隆光子……所有这些，都是否定的规则。”吉辛把基于纠缠的量子密码系统视为转折点。他有一个令人惊异的实验：有两个纠缠的光子一起出发，其中一个光子进入一个充满杂乱的非关联光子的盒子，而另一个光子则绕开这个盒子。从盒子里出来的这个光子与那个盒子的光子依然是纠缠的。

1991年，阿图尔·埃克特的发现改变了物理学家的世界：纠缠和量子非定域性变得令人尊敬，否定变成了肯定。这在一些物理学家中引发了一场心理上的革命，他们开始认识到，量子力学与经典物理是如此不同，也打开了处理某些全新事物的可能性。真正说来，量子力学只是预言了相关性的存在，并没有真正描述它们是如何产生的。如果你有一幅自然图景，一个事件首先发生并影响另一个事件，这种天真的解释面对我们的实验结果完全无效。所以，你必须放弃这种想象的图景。

“量子力学是对触觉敏感的世界的一套思维规律。”克里斯·福克斯在1998年写道：“几乎所有量子理论的正式体系根本不是真正关于物理的，而是关于用来描述我们已知事物的形式手段的。”量子论中的许多怪异之处与信息论极其相似，沿着计算理论发展起来的一系列用来解释信息传输的有效观点。我们说的量子论实际上主要指信息论，是关于我们对量子实体认识的理论，而不是关于量子实体本身的理论。我们需要做的是从量子力学中剥去那些所有应归于我们如何感知世界的信息论的外衣，并且，找到一个当我们不在场时也与世界相符的量子力学。

我为什么会研读量子力学的论著？因为在书中出现的默里·盖尔曼曾提出奇异数守恒定律、SU(3)对称性，为此获得了诺贝尔物理学奖。1984年，他发起并创建了圣菲研究所，成为世界研究复杂性理论的中心之一。默里·盖尔曼以对简单世界的洞察力而闻名。在他的《夸克与美洲豹》中就表达了简单性如何导致复杂性的奥秘，以及精确的物理定律如何产生有意识的生物。盖尔曼说：“量子力学本身并不是一种理论，它只是一个框架，现在所有的物理理论都必须与它符合。”