量子背后：秘密中的秘密
量子背后：秘密中的秘密
量子理论是20世纪最伟大的科学发现之一，它以惊人的准确性描述了微观世界的行为。然而，这个理论本身却充满了令人费解的怪异现象，如量子纠缠和非定域性。物理学家们一直在努力寻找这些怪异现象的本质原因，最近甚至发现了一个比量子理论还要怪异的新理论。
量子纠缠：爱因斯坦的"幽灵"
话说20世纪初，爱因斯坦在提出光量子理论（即认为光的能量不是连续的，而是一份一份的）之后，成了新兴的量子论的奠基人之一。但量子论往后的发展却令他很不爽，一群后辈小生提出的一些稀奇古怪的概念，让他觉得太疯狂了。他越来越脱离主流，置身事外。不仅如此，他还想方设法找量子论的茬。1935年，他和另两位合作者终于发现了量子论的一个致命缺陷，即假如现有的量子论是正确的，那么相隔数千米的粒子似乎能够瞬间相互作用——就是我们今天所说的量子纠缠。爱因斯坦讥讽这是一种“幽灵般的远距离相互作用”。
这种跨距离不需要时间的相互作用，完全违反了当时物理学家们的认识，爱因斯坦本想以此证明，量子论是有缺陷的，无法准确地描述客观现实。但是不承想，后来的实验反倒证明，量子纠缠现象确实存在，而且今天已经构成了量子通信的基础。
不仅如此，在过去一个多世纪里，量子论几乎经受住了每一个实验的检验，它被证明是我们迄今描述微观世界的最佳理论。假如爱因斯坦地下有知，不知会作何感想？
但是在其基础方面，我们依然还没有弄清楚，为什么量子理论会如此怪异，如此疯狂。假如弄清楚了，想必爱因斯坦也会坦然接受量子理论。
物理学家们为此一直在努力。最近，他们发现了一个重大的惊喜：一个被称为“近似量子理论”的新假说甚至比原来的量子理论还怪异！假如它是对的，那么一方面，它确实证实了爱因斯坦关于量子论有缺陷的看法，但另一方面，它似乎更不合爱因斯坦的胃口。
量子理论的非定域性
量子理论涉及微观世界的亚原子粒子，它被认为是有史以来最精确的科学理论。它以无与伦比的准确性描述了粒子的行为。在某些实验中，它的预言值跟测量值能相符到小数点后面第10位。
但量子理论的深奥也是公认的。譬如，粒子在被测量之前，可以存在于一种叠加态中，叠加态包含了该粒子的各种可能状态。处于叠加态中的粒子，在同一时间既可以在这里，又可以在那里。其反直觉性在薛定谔猫的思想实验中得到了最好的体现。在这个思想实验中，由粒子的叠加态的性质，决定了箱子里的一只猫，在我们未打开箱子观察之前，可以同时既是死的又是活的。同样难以理解的还有波粒二象性，比如说，光既可以表现为粒子也可以表现为波。
但是，最让我们困惑的还是爱因斯坦所谓的“幽灵般的远距离相互作用”，更恰当的说法是“非定域性”（见拓展阅读：定域性和非定域性）。
以两个电子为例。如果我们事先让它们以某种形式发生量子纠缠，比如让两个电子组成一个总自旋为零的体系，然后远远地将它们分开，A在地球上，B在银河系外。分开之后，在测量之前，因为电子各自处于叠加态中，你并不知道它们确切的自旋。现在，假如你测量A的自旋，比如测得它的自旋朝上，那么你的测量似乎瞬间就能影响到银河系外的B；B本来也处于叠加态中，自旋是不确定的，但受你对A的测量的影响，瞬间就显示为自旋朝下（为了确保体系总自旋为零的条件）。用“幽灵般的”这个词来描述粒子的这种怪异行为，真是再恰当不过的了。
被实验证明了的非定域性
为了更全面地了解量子理论的非定域性，考虑一下爱尔兰物理学家约翰·贝尔讲述的一件关于怪袜子的轶事是有益的。1970年代末，贝尔与一位叫莱因霍尔德·贝尔特曼的物理学家共事。贝尔注意到贝尔特曼有个习惯，就是两只脚总是穿不同颜色的袜子。这意味着，他的两只脚上的袜子存在着某种关联。例如，当贝尔特曼脱下一只鞋，露出黑色袜子时，你立刻就知道，他的另一只脚上的袜子，决不可能是黑色的，尽管他并没有脱下另一只鞋给你看。然而，这种关联用日常的约定就可以解释，并不需要借助深奥的量子理论。
贝尔认为这听起来跟量子纠缠有几分相似。他怀疑，纠缠粒子之间的关系会不会也是这种性质的事先约定呢？
能想到这一点其实算不了什么，但贝尔真正的天才在于他后来设计了一套严格的测试来回答这个问题。在贝尔测试中，先将两个粒子A和B纠缠在一起，然后将它们分别发送到两个相距遥远的实验室，在那里由甲、乙两名科学家分别用两种不同的方法测量它们的某个属性（比如自旋）。每个科学家只进行一次测量，测量时不知道另一名科学家选择的是哪一种，然后用测量结果来预测另一名科学家测量的结果。这就好比贝尔通过观察贝尔特曼一只脚上袜子的颜色，来预测另一只脚上袜子的颜色。接下去，把甲通过测量A对B所做的预测，与乙对B所做的实际测量进行比较，甲的预测可能是对的，也可能是错的。实验重复进行多次，最后统计出预测正确的概率。
贝尔从理论上证明，如果纠缠可用日常的约定来解释，那么你在贝尔测试中预测正确的概率不会超过75%；但如果发生的确实是量子纠缠，而不是日常约定性质的关联，预测正确的概率可达到85%左右。换句话说，贝尔测试把粒子之间的关联性量化了，以此检验粒子之间是否存在某种超越了用经典物理学可解释的东西——即我们谈论的“非定域性”。
数十年来的贝尔测试实验一再显示，预测正确的概率确实在85%左右。这就证明，粒子之间发生的确实是量子纠缠，同时也证明了量子理论是非定域性的。这个领域的主要贡献者为此荣获了2022年的诺贝尔物理学奖。
向狭义相对论学习优雅
在帮助我们理解量子理论的基础方面，贝尔测试可谓立下了汗马功劳，现在它又被用来检验一些比量子理论还古怪的想法。这些想法产生于30年前，当时一些物理学家想知道，在量子理论的核心是否蕴藏着一个单一的原则。
这是什么意思呢？为了说清这一点，让我们对量子理论与爱因斯坦的狭义相对论做个比较。
学过狭义相对论的人都会被这个理论的简洁、优雅而叹服。狭义相对论虽然告诉了我们很多匪夷所思的事情，譬如时间流逝的快慢可以不一样啦、尺子可以缩短啦等，但这些都是从两条基本原理推演出来的。一条是相对性原理：对于两个彼此相对以恒定速度运动的观察者来说，物理学定律是相同的。另一条是光速不变原理：光在真空中传播的速度是恒定的，跟光源的运动和观察者的运动无关。这两条原理不仅简单，而且我们一眼就能明白它们的含义。
反观量子理论，那可真是个大杂烩。比如说，量子论用薛定谔方程来描述粒子的行为，这个方程有点类似经典物理学中的波动方程。薛定谔方程的解叫波函数，波函数里包含了粒子的所有信息。但跟经典的波不一样，波函数反映的是粒子的概率特性。为了从波函数中提取该粒子的信息，又得引进一套叫“算子”的数学工具……这些个薛定谔方程、波函数、算子等，都不是从几个简单明了的原理自然推导出来的，而是东一榔头西一棒槌地人为引进的，很有临时拼凑的嫌疑，而且缺乏明显的物理解释。
所以，很早就有人设想，假如能为量子理论找到几条简明的原理，然后一切都从中推演出来，这不仅会让这个理论变得优雅，说不定还能告诉我们其怪异的最终来源。
为量子理论找“第一原理”
率先做这个尝试的是英国物理学家桑多·波佩斯库。1994年，他为量子论提出一条简单的假设：非定域性适用于所有的现实。
他的想法是这样：既然所有宏观物体都是由微观粒子组成的，而微观粒子服从量子理论的非定域性，所以现实（不论宏观还是微观）的本质应该是非定域性的。至于经典物理学为什么表现出定域性，这应该可以从更根本的量子理论的非定域性中得到解释，比如单个粒子的行为是非定域的，但大量粒子集合在一起，也许就会表现出定域性，如此等等。
波佩斯库提出的这个假设，看起来合情合理，但很遗憾，竟然没通过贝尔测试。如果两个粒子基于这条假设发生关联，那么在理论上，贝尔测试中预测正确的概率可以达到100%。这显然与“85%左右”的实验结果不符。但这个假设到底什么地方有问题呢？一时让人摸不着头脑。
2009年，奥地利物理学家米格尔·纳瓦斯库斯重新为量子理论提出两条假设。第一条是：没有东西比光速更快。第二条叫“宏观定域性原则”，说：当微观粒子聚集足够大，变成宏观物体时，量子的非定域性就会消失。
这两条假设的意思也是明了的：第一条是相对论的结论；第二条是经典物理学的要求。在这两条假设下，理论上贝尔测试预测正确的概率必须小于100%——虽然没达到我们所要的“85%左右”，但至少比前面一个假设更靠近实际情况了。
同年，波兰物理学家马辛·帕乌斯基提出一个叫“信息因果性”的假设，也试图从这单一的假设来构建量子理论。这个假设说，当两个人交换信息时，一个人收到的信息不能多于另一个人发出的信息。
这个假设的正确性也是一目了然的。在这个假设下，理论上贝尔测试果然达到了我们梦寐以求的“85%左右”！这引起了极大的轰动。一些人认为，我们可能已经找到了量子理论的本质。整个量子理论都可以从信息因果性的“第一原理”推演出来。
但是，大好的希望随后却被人搅了浑局。
出现新的竞争对手
2015年，曾经提出“宏观定域性原则”的纳瓦斯库斯和他的合作者提出另一个理论。这一次，他们倒是没有提出什么“第一原理”，而仅仅是有意漏掉了量子理论本身包含的一些概念。但量子理论所能解释的一切，它几乎都能解释。所以，这个理论被称为“近似量子理论”。然后他们通过计算，假如粒子的行为服从近似量子理论，在贝尔测试中，预测正确的概率是多少？没想到，他们也取得了“85%左右”的结果！
在几乎所有的情况下，近似量子理论都能做出与常规量子理论相同的预测。这似乎没有理由让我们对它感兴趣。但它的一个不同寻常之处让物理学家眼睛一亮。
我们知道，物理学的最大使命之一是找到一个对于现实的统一描述。爱因斯坦晚年就致力于此，希望建立一个“大统一理论”。但是就目前而言，我们用于描述宏观的引力理论和描述微观的量子理论，是水火不相容的；如何建立一个量子引力理论，将它们统一起来，一直是物理学家的心腹之患。问题在于，两者在概念上和数学结构上有着霄壤之别。但这次人们发现，近似量子理论与引力理论在概念上和数学结构上似乎比较相近。这就让人不由地想入非非：如果近似量子理论实际上是一个比量子理论对现实更好、更客观的描述呢，那么我们说不定就可以用近似量子理论来替代现有的量子理论了。
不过，说出来也许要让你失望。量子理论已经够疯狂的了，但近似量子理论在某些方面比它还疯狂，所以你不要指望它更好理解。总而言之，一个世纪以来，量子理论在应用上取得了巨大的成功，与此同时，我们对它的本质的理解，也在不断地深入。到底会走到哪一步，物理学家最终会给我们一个直观易解的量子理论吗？还是给我们一个更深奥难解、但或许能更好地描述现实的量子理论呢？我们还要拭目以待。