- 量子力学挑战直觉 狭义相对论遭遇危机
重点提要
-我们所经验的宇宙里，只有碰得到的东西才会直接受到我们的影响，因此这个世界似乎具有“局部性”。
-然而，量子力学透过“缠结”的性质，使两个粒子不需中介就可互相同步，展现出超距作用。这是一种“非局部效应”。
-非局部效应不仅违反直觉，对狭义相对论也造成了严重的问题，物理学的根本为之动摇。
如果要移动一颗石头，根据直觉，就是得去推它，或是拿一根棍子去碰触它，或是下达指令，透过空气振荡传播到某个人的耳朵，叫他手持棍子去戳石头，或是其它类似的办法；更直截了当地说，这直觉意味着东西要紧靠在一起，才能发生直接影响。如果A不在B旁边，但却能影响它，那效应一定不是直接的，而是以一连串事件做连结，每个事件直接影响下一个，经由一段距离依序从A传到B。
每当我们以为找到了违反这项直觉的例外，结果总会发现并非如此，例如，扳开开关点亮城市里的街灯(但仔细一想这是透过电线传递的)，或是听BBC的广播(但我们接着会想到这是透过空中的无线电波)。至少，在日常生活经验里，我们是找不到的。
我们把这种直觉的想法称为“局部性”(locality)。
量子力学颠覆了许多直觉，但没有一个比推翻局部性来得更意义深远。而且它为狭义相对论(21世纪物理学的基石之一)带来的�；裎茨芙饩�。
量子力学挑战直觉
回溯至量子力学发展之前，以及用科学来探索自然之初，学者相信，理论上这个物理世界可以借着世界最小、最基本的物理元素，得到完整的描述。也就是说，把所有物理元素的小故事集合起来，就可以完整表达出这个世界的故事。
但是量子力学违反了这个信念。粒子集合体所表现出的真实、可测量的物理特征，有可能并非个别粒子特征的总和，甚至毫无关联。例如，根据量子力学，我们可以让一对粒子相距恰好两公尺，但是两个粒子各自却都没有确切的位置。除此之外，“哥本哈根诠释”这个理解量子物理的标准方法(于20世纪初经由伟大的丹麦物理学家波耳加以宣扬，而后一代一代传授下去)坚持，并不是我们不知道个别粒子的准确位置，而是这个答案根本就不存在。询问单一粒子的个别位置，就像询问数字5的婚姻状况一样，是一个毫无意义的问题。这不是知识论(我们知道什么)的问题，而是本体论(它是什么)的问题。
物理学家说，以这种方式连结起来的粒子，会形成量子缠结。受缠结的性质可以不是位置：两个粒子可以用相反的方向自旋，但没办法确定何者为顺时针；或是确定有一个粒子处于激发态，但没办法知道是哪一个。粒子的缠结和它们各自的位置、身份以及彼此的作用力无关，原则上，它们大可以是星系两端的电子与中子。因此，缠结让物质以一种过去想象不到的方式产生密切关联。
量子计算与量子密码学是一种崭新且潜力无穷的技术，而缠结则是幕后的推手。它们可以解决一些一般计算机实际上解决不了的问题，并且提供不会被窃听、绝对安全的讯息传递方式(参见2005年2月号《量子传讯，绝对机密》与2008年9月号《用离子做量子计算》)。
然而，缠结似乎也造成一种极度诡异、强烈违反直觉的“非局部性”现象：不需触碰(或触碰连锁动作的其中一步)就可能在物理上对某物造成影响。非局部性意味着在美国爱荷华州打出一拳，可以打落在德州的人的牙齿，完全不需透过中间各州任何物体的协助，不需动到一颗气体分子、电线里的一颗电子或一束闪光。
除了这奇怪无比的特性，非局部性最令人担心的是它对我们所知的相对论造成严重威胁。这个老问题在过去几年终于得以进入物理研究的殿堂，并成为辩论重心，它或许终将使物理学的根基为之解体、扭曲、重塑、强化甚至崩坏。
实相的根本变革
爱因斯坦对量子力学有许多忧虑，对其机率本质的担忧(他的名言：“上帝不玩骰子”)只是其中之一。但是唯一让他愿意花时间写篇论文正式表述反对意见的，和量子缠结的奇特性质有关，这个反对意见是EPR论证(以爱因斯坦和同事波多斯基以及罗森三位作者的姓式缩写来命名)的核心。在他们1935年的论文〈量子力学对物理实在性的描述是完备的吗？〉中，他们的论证严谨地回答“不”。
他们的关键论证运用到量子力学(或其数学算则)里的一项特性来预测实验结果。假设我们要测定一个粒子的位置，而它与另一个粒子有量子缠结，如前所述，它们个别都不会有准确的位置。但当我们得知测量结果后，因为知道了第一个粒子的位置，所以对它的描述自然会改变。然而算则告诉我们，对第二个粒子的描述也得瞬间改变，不管它的距离有多远，或两个粒子间是否隔着其它东西。
量子力学出现在物理学家的眼前时，缠结对世界图像的建立并没有造成争议，只是在爱因斯坦之前，没有人对它的意涵多做深思。但爱因斯坦看出了缠结不只怪，还很可疑，让他觉得很诡异，特别是，它似乎具有非局部性。
不论是爱因斯坦、波耳或其它人，当时都没有心理准备，世界上竟然可能真的发生物理非局部性。在论文里，爱因斯坦、波多斯基和罗森理所当然地认为量子力学中明显的非局部性，必然只是表面的，纯粹只是某种数学上的异常，或是由于符号的不恰当。无论如何，它必然是算则里可去除的假象，即使不用任何非局部性的步骤，量子力学也一定能预测实验结果。
EPR论证基本上是说，如果(一如大家所想)世界上不存在真正物理上的非局部性，而且量子力学对实验的预测是正确的，那么量子力学在解释世界上的各种行为时，一定有漏洞，必然有一部份的东西是它没办法处理的。
而波耳只花了一个晚上就对EPR论文做出回应。他急切地写了一封信反驳，内容完全没有涉及论文里扎实的科学论证，而是对“实在性”以及“物理实在性的成份”的定义有意见。他的用语含糊、有时根本就像是神谕，叨叨絮絮地陈述主体与客体的区别，并提到在什么条件下问问题才有意义，以及人类语言的本质。对波耳来说，科学所需要的是“我们对物理实在性的态度必须有根本的变革”。
不过，波耳倒是同意EPR论文中的一点：物理的非局部性确实存在。他指出，这种非局部性的现象，正给了我们一项理由，说明为何我们必须扬弃EPR论证里那种古怪且过时的渴望，渴望能从量子力学方程式读出世界实在性的图像，那种连续产生、确切存在于我们眼前的图像。波耳强调，实际上我们不只是透过一副漆黑的眼镜在看世界，而且眼前的黑影与不确定的景色，就和一般实物同样真实。
显然，波耳的文章是以哲学来回应一个清晰的科学质疑。更有意思的是，这个回应被神格化，成了理论物理的真理。从此以后，在这个议题上多花点心思，倒成了叛教的行为。因此，有一段很长的时间，物理学界对“世界到底像什么？”这个人们内心深处的渴望转身不顾，而将这个形上学的问题丢给奇幻文学。
即使在今日，这个爱因斯坦留给后世的关键部分，仍旧晦涩不清。2007年，伊萨克森(Walter Isaacson)写的爱因斯坦畅销传记里，只有向读者担保，爱因斯坦对量子力学的批评已经获得解决了。但是这并非事实。
(摘自台湾《科学人》杂志2009年第86期 撰文：艾伯特(David Z Albert)、加千(Rivka Galchen) 翻译：张明哲)
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