一眼看上去，它像是一面普通的鏡子，其實(shí)卻不是——它上面鍍了一層“半反射銀膜”，能將照射其上的光線反射一半出去，另一半則直接透射而過。
不過，這面鏡子本身沒有什么特殊之處。每當(dāng)你隔窗遠(yuǎn)眺，在玻璃上看到淺淺的屋內(nèi)景象時(shí)，就是類似的部分反射在發(fā)揮作用。特殊的半反射鏡是提詞機(jī)里不可或缺的組件，實(shí)在想要的話，不用大費(fèi)周章，上網(wǎng)就能買到。
這種鏡子對單個(gè)光子的作用才是怪異所在。湊近仔細(xì)觀察的話，這些小鏡子也許會盡毀你的實(shí)在觀。它們能讓你茫然無措，不知自己身在何處，身是何人，甚至懷疑自己究竟是否存在。它們甚至能攪亂你對因果的判斷，暗自納悶究竟誰才是這一切混亂之源，是那些鏡子，還是你自己。以今日科學(xué)之高深，能否一探小小半反射鏡上之究竟？“我認(rèn)為不行，”倫敦帝國理工學(xué)院的物理學(xué)家特里·魯?shù)婪颍═erry Rudolph）如是回答。
每當(dāng)我們像這樣身陷迷惑，對存在之類的問題絞盡腦汁又心存恐慌之時(shí)，罪魁禍?zhǔn)淄橇孔永碚撃獙佟Ｎ阌怪靡?，要描摹在極微小尺度上物質(zhì)實(shí)在的行為，量子理論仍是我們的看家招數(shù)，而且它的預(yù)言反反復(fù)復(fù)被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。只不過，它描述的實(shí)在，與我們所說的現(xiàn)實(shí)，似乎毫無關(guān)聯(lián)。
首先，量子實(shí)在的隨意性讓人不快。就以看上去和我們自身一樣真實(shí)的原子為例：按照量子理論，一個(gè)孤立原子的位置完全不可確定；能確定的最多只是在X位置發(fā)現(xiàn)這個(gè)原子的概率，在Y位置會有另一個(gè)概率，Z位置還有一個(gè)概率。只要你不追究這個(gè)原子的位置，它就會處于所有可能位置的某種“疊加態(tài)”（superposition）。一旦追究起來，也就是對原子的位置進(jìn)行一次測量，它就會在某個(gè)位置上現(xiàn)身，但你不一定能夠預(yù)言那個(gè)位置會在哪里。
這種怪誕在半反射鏡上達(dá)到了極致。只要讓光束以合適的方式照射上去，不僅光束會分成兩束，單個(gè)光子也會一分為二。從效果上說，這個(gè)光子相當(dāng)于變成了兩個(gè)光子：一個(gè)透射而過，一個(gè)反射開去。
每個(gè)光子都有特定的屬性，比如說自旋——這是一種量子力學(xué)屬性，可以把它類比成空間中的轉(zhuǎn)動。不過，如果你決定要分別測量這兩個(gè)光子的自旋，古怪的事情就會發(fā)生。你可以一遍又一遍地測量它們的自旋，每次都選取不同的參考方向，比如實(shí)驗(yàn)室的朝向、室外的風(fēng)向，或者天花板上一只蒼蠅爬行的方向等等。一段時(shí)間之后，你就會寒意頓生，因?yàn)橐粋€(gè)模式會逐漸浮現(xiàn)出來：每一回，你測量第2個(gè)光子所得到的結(jié)果，都取決于你在測量第1個(gè)光子時(shí)所做的選擇。
這種現(xiàn)象，我們無法用通常的、經(jīng)典的實(shí)在觀來解釋，被稱為糾纏（entanglement），是量子物體具備的一種特殊能力：一旦發(fā)生這種關(guān)聯(lián)，無論之后分隔多遠(yuǎn)，它們似乎都可以相互影響。用愛因斯坦的話來說，這是一種“幽靈般的超距作用”。
于是，一個(gè)自然而然的想法就是，尋求某些“正常的”物理解釋對此施以援手——愛因斯坦當(dāng)年就是這么做的。如此一來，符合我們直覺的實(shí)在觀就有可能延續(xù)下去。按照這樣的想法，必定有某些未知影響在兩個(gè)光子間飛速傳遞；肯定有某種物理的東西，從一個(gè)光子傳遞到另一個(gè)光子，告訴它哪些信息被提取了。
無論這種影響是什么形式，是一個(gè)光子也好，是某種其他的交換粒子也罷，抑或是某一種波，假設(shè)它的傳播速度無法超越光速，都應(yīng)該是合理的。按照愛因斯坦的狹義相對論，光速一直被視為是我們這個(gè)宇宙中任何可用信息傳播速度的上限。有了這個(gè)上限，所有令人不快的后果才不至于發(fā)生。魯?shù)婪蚪忉屨f：“如果能夠超光速傳遞信號，我們就會遇到古怪的狀況，古怪到連因果律都會違背?！背馑偻ㄐ胚€可能為不法之徒大開方便之門：你可以通過它來向過去傳遞信息，從而違背相對論的因果律，我們?nèi)巳硕伎山璐粟A得百萬美元的彩票大獎(jiǎng)。
那些遵從相對論的、不那么出格的隱藏物理影響，檢驗(yàn)起來相對容易。首先，你得將兩個(gè)糾纏光子分隔開一段超遠(yuǎn)的距離。比方說，第2個(gè)光子可以被送到國際空間站（ISS）上去，然后設(shè)置一個(gè)裝置，在某個(gè)精確時(shí)刻對它進(jìn)行測量。在測量發(fā)生前的一瞬間，你測量留在手邊的那第1個(gè)光子。精確調(diào)節(jié)好測量時(shí)間，讓兩個(gè)光子即便以光速也無法及時(shí)通信?？纯丛谶@種情況下，兩個(gè)光子的測量結(jié)果，還會不會存在關(guān)聯(lián)。
超越光速
還沒有人真正做過這樣的國際空間站實(shí)驗(yàn)，但在地面上，我們已經(jīng)進(jìn)行了很多次類似的實(shí)驗(yàn)。每當(dāng)?shù)?個(gè)光子的測量結(jié)果傳來，我們都會看到這種奇異的關(guān)聯(lián)仍然存在。第2個(gè)光子似乎對第1個(gè)光子的遭遇了如指掌，并以此來應(yīng)對即將到來的測量。瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的尼古拉斯·基辛（Nicolas Gisin）和同事在2008年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如果有任何幽靈般的潛在影響在18千米長的光纖網(wǎng)絡(luò)中傳播，它的速度必須至少達(dá)到光速的10000倍才行（參見《自然》雜志，454卷，861頁）。在空氣中進(jìn)行的距離長達(dá)數(shù)千千米的糾纏實(shí)驗(yàn)，也得到了類似的結(jié)果。一些野心勃勃的計(jì)劃準(zhǔn)備在太空中重復(fù)這些實(shí)驗(yàn)。
這些結(jié)論將置我們于何地呢？或許你會被這個(gè)神秘關(guān)聯(lián)的種種奇聞所震驚，但也可能深受觸動轉(zhuǎn)而接受另一個(gè)解釋，只不過這個(gè)解釋初看起來有些牽強(qiáng)附會。只有當(dāng)某種影響攜帶信息的時(shí)候，相對論才禁止它超光速傳播。那么，如果存在某種目前未知的奇怪現(xiàn)象，能夠?qū)蓚€(gè)糾纏粒子聯(lián)系在一起，同時(shí)又不攜帶任何信息，情況會如何呢？
就算存在，這種影響看起來可能是什么樣子，我們也知之甚少。不過這已經(jīng)無關(guān)緊要了，因?yàn)檫@條通向正常世界的逃生通道也被堵死了。2012年，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的讓－丹尼爾·邦卡爾（Jean-Daniel Bancal）和基辛等人合作，在一個(gè)由4組發(fā)射端和接收端構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中，研究了對糾纏光子進(jìn)行同步測量會得到何種結(jié)果。在理論模型中，他們假設(shè)潛在影響能以任意速度穿越時(shí)空，只要它們不攜帶信息。
然而，這個(gè)理論模型無法再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。沒有任何物理傳遞機(jī)制能產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)中觀察到的關(guān)聯(lián)，除非實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)中的潛在影響能夠超光速輸遞信息（參見《自然·物理學(xué)》，第8卷，867頁）。如果我們堅(jiān)信相對論，就會遇到一個(gè)難題?！斑@真是玄而又玄，不可思議，”邦卡爾說，“你努力去尋找這些關(guān)聯(lián)的原因所在，卻不知為何每每落空?！?/p>
基辛的結(jié)論更為直率。在他看來，這意味著我們所躋身的現(xiàn)實(shí)的維度，不可能包含對量子實(shí)在更為基本的解釋。“時(shí)間和空間之中，不存在任何信息能夠告訴我們，這樣的關(guān)聯(lián)何以發(fā)生，”他說，“必然有某種實(shí)在存在于時(shí)空之外。”
除非，我們的某些基本認(rèn)識出了差錯(cuò)。挑戰(zhàn)相對論總是應(yīng)者寥寥，因?yàn)檫@會違背我們的因果觀念。我們?nèi)祟愮姁垡蚬樞?，對于任何事件都想追究一個(gè)起因。不僅如此，在更基本的層面上，我們都是堅(jiān)定的決定論者，毫不懷疑地假設(shè)任何事件都有一個(gè)確定的原因。在日常生活所涉及的尺度上，這似乎合情合理，但在渺若微塵的量子實(shí)在世界里，我們還能如此確信嗎？
最近，奧地利維也納大學(xué)的理論物理學(xué)家查斯拉夫·布魯克納（Caslav Brukner）和同事，對量子體系在理論上是否與我們的宏觀世界符合同樣的因果律，展開了調(diào)查。他們最先考察的是這樣一個(gè)經(jīng)典的場景：兩個(gè)糾纏光子在空間上被分隔開來，然后被愛麗絲和鮑勃這兩位獨(dú)立觀測者分別測量。布魯克納和他的研究團(tuán)隊(duì)在這個(gè)場景中加入了一個(gè)變化，那就是量子不確定性。量子不確定性是量子理論的一個(gè)基本原理，從根本上限制了你從一個(gè)量子系統(tǒng)中能夠提取出來的信息量——這其中也包括有關(guān)時(shí)間的信息。
布魯克納打了一個(gè)比方，來描述他們研究的過程。愛麗絲走進(jìn)一個(gè)房間，發(fā)現(xiàn)鮑勃留了一條信息。她擦掉這條信息，留下了自己的回復(fù)。然后，鮑勃走進(jìn)了房間，把愛麗絲剛才已經(jīng)回復(fù)過的信息又留了一遍。本質(zhì)上來說，正如量子粒子能夠同時(shí)處于多個(gè)位置一樣，它們似乎也可以同時(shí)處在不同的時(shí)刻。因此，這個(gè)系統(tǒng)可以同時(shí)處于“愛麗絲在鮑勃之前進(jìn)入房間”和“鮑勃在愛麗絲之前進(jìn)入房間”這兩個(gè)狀態(tài)。布魯克納說：“我們無法說出愛麗絲的測量是發(fā)生在鮑勃之前，還是鮑勃之后?！保ㄔ斠姟蹲匀弧ねㄐ拧?，第3卷，1092頁。）
布魯克納已經(jīng)開始琢磨如何用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)這些理論計(jì)算的結(jié)果，但他說，這并不容易?？紤]到量子狀態(tài)微妙的天性，任何企圖測量量子力學(xué)因果順序疊加態(tài)的嘗試，都會破壞這種疊加，使它塌縮成某一種確定的因果順序。
不過即使沒有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他認(rèn)為，結(jié)論也已經(jīng)很明顯了。他說：“因果順序不是自然界的一個(gè)根本屬性。”只有在實(shí)驗(yàn)參數(shù)經(jīng)過調(diào)節(jié)，降低兩個(gè)光子之間的糾纏程度，使它們的行為方式更類似于我們熟悉的經(jīng)典粒子之后，因果律才得以恢復(fù)。從某種程度上說，布魯克納與基辛算得上是殊途同歸。我們生活在時(shí)空之中，經(jīng)歷其中的因果順序，但因果順序似乎并不是量子理論的基本屬性。如果我們接受量子理論，把它視為是對我們所處現(xiàn)實(shí)的最基本描述，這就意味著時(shí)空本身不是基本的，而是從某種更深層次的、目前還未知的量子實(shí)在中涌現(xiàn)出來的。
自發(fā)的宇宙
前提是，如果我們接受量子理論。鑒于我們珍愛的實(shí)在觀、相對論和因果律，無一不被量子理論撕扯得千瘡百孔，一個(gè)自然而然的問題被提了出來：會不會是量子理論本身有問題？盡管它碩果累累，但那些隨機(jī)性、不確定和幽靈般的關(guān)聯(lián)或許恰恰表明，量子理論本身是不完整的。至少就目前的形式而言，量子理論可能無法向我們提供解釋萬物本質(zhì)所需的全部信息。這種情況大概可以拿熱力學(xué)作個(gè)類比。熱力學(xué)為物質(zhì)如何運(yùn)動提供了一個(gè)簡單明了的表層描述，比如熱量總是從高溫處流向低溫處等等，但對于使這些現(xiàn)象得以發(fā)生的更深層次的原子動力學(xué)，它什么都沒有透露。
為了探究這種可能性，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的羅杰·科爾貝克（Roger Colbeck）和雷納托·倫納（Renato Renner）已經(jīng)重新審視了經(jīng)典的愛麗絲－鮑勃實(shí)驗(yàn)。他們想知道，如果一種底層理論能給兩個(gè)糾纏粒子間的關(guān)聯(lián)或多或少提供一些額外信息的話，這些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)會發(fā)生怎樣的變化。測量結(jié)果的隨機(jī)性和不可預(yù)測性，會不會有所降低？
簡單的回答是，不會。任何情況下，只要愛麗絲和鮑勃能夠獨(dú)立自主地選擇他們要對粒子做什么類型的測量，那么對于他們的實(shí)驗(yàn)會得到什么樣的結(jié)果，額外信息就給不出比量子力學(xué)更準(zhǔn)確的預(yù)言?？雌饋?，量子力學(xué)神秘的不確定性，與信息完不完整毫無關(guān)系。
“隨機(jī)性是本質(zhì)上就有的，”科爾貝克解釋道。在更深的層次上，宇宙是自發(fā)的（spontaneous）。本質(zhì)上，沒有任何理由來解釋量子粒子為什么具有這樣的屬性：不存在隱藏的影響，不存在鐵律一般的因和果，不存在缺失的信息。萬物生就如此，宇宙無需解釋。
科爾貝克說：“對此，有些人感到非常沮喪?！笔聦?shí)上，他們甚至沮喪到了開始懷疑一個(gè)更基本的假設(shè)，關(guān)系到現(xiàn)實(shí)及我們與現(xiàn)實(shí)的關(guān)聯(lián)。這一假設(shè)潛藏在大多數(shù)涉及到量子實(shí)在及量子測量的研究方案當(dāng)中，連科爾貝克和倫納的實(shí)驗(yàn)也不例外。我們不妨回到第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，就是那個(gè)光子遇到半反射鏡的實(shí)驗(yàn)。為了測量那些光子自旋的指向，你首先必須選取一個(gè)參考方向——實(shí)驗(yàn)室的朝向、室外的風(fēng)向，還是天花板上那只蒼蠅爬行的方向。你的選擇會影響測量結(jié)果。但是，如果這其實(shí)不是你的選擇呢？如果是某種其他力量在操控你的雙手，迫使你這樣完成實(shí)驗(yàn)，使這種關(guān)聯(lián)恰好每一次都會出現(xiàn)呢？
執(zhí)迷自我
這種懷疑將我們領(lǐng)入了人類自由意志的領(lǐng)地。在這片艱險(xiǎn)之地上混跡的哲學(xué)家，往往比物理學(xué)家多得多。盡管聽上去有些愚不可及，但確實(shí)有些嚴(yán)肅的物理學(xué)家在考慮，為了避免量子關(guān)聯(lián)導(dǎo)致的種種異相和由此帶來的相對論及因果律的喪失，是不是放棄自由意志會更好。這樣一來，我們就成了參與這場宇宙大戲的小小提線木偶，不用再為宇宙咸吃蘿卜淡操心了。
諾貝爾獎(jiǎng)得主、荷蘭烏得勒支大學(xué)的杰拉德·特·胡夫特（Gerard't Hooft）就是其中之一。他發(fā)現(xiàn)自己對無視空間和時(shí)間的量子關(guān)聯(lián)“很難買賬”。相反，他認(rèn)為，答案可能隱藏在一種極端的決定論之中。這種決定論認(rèn)為，人類的心智被設(shè)定在一條確定的軌跡之上，選擇哪一個(gè)參考方向來進(jìn)行量子測量，看似自由選擇，實(shí)則照章辦事而已。
另一些人卻不為所動。美國麻省理工學(xué)院的量子物理學(xué)家斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）說：“為了讓量子力學(xué)‘看上去’正確，就把所有人的大腦、測量儀器和宇宙中的亞原子粒子全都莫名其妙地關(guān)聯(lián)在一起，這不是飲鴆止渴嗎？”他的評價(jià)是，引入這種關(guān)聯(lián)，跟引入一個(gè)超自然的神，本質(zhì)上沒有什么兩樣。
魯?shù)婪虮硎荆卮鸩涣诉@個(gè)問題，也沒人能夠回答。但是他覺得，問題的關(guān)鍵在于，我們?nèi)院翢o希望地固守著人類中心主義。我們的日常經(jīng)驗(yàn)與量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間日益擴(kuò)大的鴻溝，在他看來，不過是托勒密及其后繼者用越來越復(fù)雜的地心說來解釋天體運(yùn)行規(guī)律的現(xiàn)代翻版。當(dāng)年的問題在于，我們只看到了行星繞著地球轉(zhuǎn)的表象，直到哥白尼扭轉(zhuǎn)乾坤提出日心說，事情才一下子變得簡潔起來。
或許，在構(gòu)建相對論和量子理論時(shí)，我們也陷入了與托勒密類似的視角。只不過這一回，我們執(zhí)迷的是對時(shí)間和空間的觀感——而在我們之外，這種觀感可能根本就不存在?！拔覀儼褧r(shí)間和位置視為是描述世界的重要變量，是因?yàn)槲覀冄莼隽讼鄳?yīng)的感知，”魯?shù)婪蛘f，“但在更深層次上真正發(fā)生的那些事情，似乎對這些概念并不在意?！?/p>
現(xiàn)在，你已經(jīng)知道了。當(dāng)光照射到半反射鏡上時(shí)，我們看到鏡面上反映出來的那個(gè)世界，很可能并非我們想要了解的世界的真實(shí)面目?，F(xiàn)實(shí)、相對論、因果律、自由意志，還有時(shí)間和空間——這些東西不可能全都正確。但我們還是忍不住要問，錯(cuò)的究竟是什么？
編譯自：《新科學(xué)家》，Quantum weirdness: The battle for the basis of reality
