解读诡异的量子世界，超光速现象司空见惯，完全颠覆人类的世界观

在量子领域的边缘，物理学家们曾一度怀疑我们对宇宙存在的基本假设，但最终他们不得不承认，观测是决定宇宙状态的关键因素。在婴儿的眼里，世界充满了惊喜，他们会惊奇地发现，当某物被遮挡后，它似乎就从世界上消失了，仿佛它是凭空产生、凭空消失的，这为他们提供了无尽的乐趣（尽管对成人来说这毫无新奇之处）。

但是随着孩子们逐渐长大，他们会认识到物体并不会无缘无故地出现或消失，他们将理解到客体永久性的概念，而这概念在物理学界根深蒂固，以至于无需再进行深入讲解。这种思想，即我们不看宇宙时它依然存在，是物理学中最基本的假设之一，大部分科学理论都基于此认为宇宙在观测之外同样真实。这种概念，即宇宙不依赖于观测者或意识而存在，在物理学中被称作实在论。

然而，量子力学的怪异之处让一些科学家质疑，是否应放弃这个基本假设。这个议题是量子力学创始时期最激烈的争论之一。

一方面，尼尔斯·玻尔坚持认为，在没有进行观测时赋予宇宙以现实是毫无意义的。在没有测量时，量子系统只存在于一个模糊的叠加态，也就是所有可能属性的混合。波函数是描述这个叠加态的唯一手段，只有在观测发生时，宇宙才呈现一个确切的物质状态。这种宇宙的有时有时无的特性，正是玻尔的哥本哈根诠释的核心。

另一方面，阿尔伯特·爱因斯坦坚信现实是客观存在的，不依赖于我们的观测。他认为波函数和量子力学本身是不完全的，存在所谓的隐变量，这些变量代表了更加物质化的实在。

为了反驳玻尔的理论，爱因斯坦和波多尔斯基、罗森设计了一个量子情境，表明如果放弃实在论假设，则必须同时放弃另一个基本的观念：定域性。定域性认为宇宙中的点只能与邻近的点产生作用，这是相对论的基础，它限制了因果关系的传播速度，使其不超过光速。

EPR悖论，即爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论，引入了量子力学中最神秘的概念之一：量子纠缠。当两个粒子短暂相互作用后，它们会相互影响，联结在一起，形成一个统一的波函数，该波函数包含了两个粒子所有可能的状态。

根据哥本哈根诠释，对纠缠对中任一粒子的测量，都会导致整个波函数的坍缩，进而影响另一个粒子的测量结果，这种影响在理论上可以瞬间跨越任何距离，甚至可能逆时间传播。这不仅违背了定域性，也可能违背了因果律，爱因斯坦等人认为这种观点荒谬至极，他们认为宇宙在每一点都应有真实而确定的存在，其影响不会超过光速。

当时，玻尔与爱因斯坦之间的辩论听起来具有哲学意味。然而，1964年，爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔提出一个实验，用以解决这一争端。他用纠缠的电子和正电子对进行实验，当这两个粒子同时由一个光子产生时，它们的自旋方向总是相反。在测量之前，我们不知道任何粒子的确切自旋方向，只知道它们必然相反，因此它们的波函数是纠缠的。对一个粒子自旋的测量，能告诉我们另一个的自旋，无论两者相隔多远。

但在量子力学中，测量行为会改变被测量对象。拿量子自旋来说，测量的影响非常奇特。我们通过转轴来定义自旋方向，而测量时必须选择一个方向放置测量仪器。我们发现，被测量的量子总是与我们选择的测量方向对齐，如果选择垂直方向测量，则自旋方向是向上或向下；如果水平测量，则自旋方向是向左或向右。测量似乎迫使被测量粒子的自旋与测量方向对齐。

但是，测量一个纠缠粒子如何影响另一个纠缠粒子的自旋方向呢？

答案将是解决玻尔与爱因斯坦之争的关键。如果爱因斯坦是对的，每个粒子在所有时间点上的自旋测量结果，都是在产生时作为隐变量独立存在于粒子内部，之后我们对其中一个粒子的操作不会影响另一个粒子。然后我们测量两个粒子的自旋，结果存在一定关系，因为它们曾有联系，但与我们选择的测量方向无关（即两粒子的自旋测量结果可能相同也可能相反）。

如果玻尔是对的，在产生与被测量之间，电子和正电子只以包含所有可能状态的波函数形式存在。对一个粒子自旋的测量，会使整个波函数坍缩为具体的固定值，两个粒子于是在我们所选择的测量方向上显示为相反的自旋，这就意味着我们认为前一个粒子的测量方向与之后测量的另一个粒子的实测旋转方向会存在关联（即两者的自旋结果必然相反），这也正是让爱因斯坦头疼的幽灵般的超距作用。

因此，约翰·斯图尔特·贝尔提出了一系列可观测的结果，即贝尔不等式，以证明爱因斯坦是正确的，或者量子力学需要定域隐变量。

如果一个纠缠实验违反了贝尔不等式，那么定域实在论也被违反。这类实验实施困难，因为纠缠量子态的产生和维持都极不稳定，任何微小作用都可能破坏纠缠状态。

然而，在上世纪80年代，法国物理学家阿兰·阿佩斯成功了，他使用的不是自旋纠缠的电子和正电子对，而是偏振纠缠的光子对，偏振即光子电磁场的指向，其原理与自旋纠缠相同。

阿佩斯发现，对一个光子选择的偏振测量方向，与其纠缠对象最终测得的偏振方向间存在关联，贝尔不等式被违背了！这个实验甚至设计成使纠缠光子间的作用只能以超光速传播（也就是说，最低速度都比光速要快）。之后，众多实验在不断增大的尺度上验证了这一结果，科学家们甚至在数公里的尺度上观察到了那种瞬时影响。

现在，贝尔不等式的违背已成为铁一般的事实，它暗示着量子力学中的波函数不存在局域隐藏变量。这是否意味着哥本哈根解释得到了证实，同时否定了局域性和实在性的结合？我们是否真的处于一个奇特宇宙中，在我们转移视线时，万物便消融在量子的不确定中？

关于纠缠的实验结果虽然似乎对局域实在性提出了挑战，但可能仅仅是违反了局域性或实在性二者之一。贝尔本人坚信，其不等式被违背仅是对局域性的否定，实在性仍可安然无恙。

非局域性暗示着纠缠粒子间存在瞬时的相互影响，对于任何信奉相对论的人来说，这听起来简直就像是异端邪说。然而，让人惊讶的是，非局域性与相对论竟可以和平共处。

相对论坚持因果关系，即信息不能以超过光速的速度传递。而在那些纠缠实验中，并没有提供任何途径让信息在粒子间传递。只有当测量完毕，比较彼此的测量结果时，纠缠粒子间的作用才得以显现，宇宙似乎巧妙地规避了信息超光速传递或时间倒流的谬误。

哥本哈根解释仍旧与所有的量子力学观测结果完美契合，玻尔所描述的宇宙或许正是我们栖身的真实宇宙。但放眼望去，如果我们放弃局域性，那么谈论隐变量也未尝不可。例如，纠缠的粒子或许通过爱因斯坦-罗森桥（虫洞）相互连接，虫洞允许超光速的即时作用。还有种解释是不需牺牲实在性与局域性，即多元宇宙解释，这一观点对于广大对量子世界感兴趣的人来说，定不陌生。