引言 纠缠

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。不过对猫或人而言，这样的苛刻要求简直绝无可能，这也正是我们不会注意到量子纠缠效应的原因。

但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做出响应，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（correlation）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。贝尔成长于第二次世界大战期间动乱的爱尔兰，他在瑞士的和平环境中度过了自己的研究生涯，最后在62岁时突然因病去世，当时他并不知道自己已经获得了当年的诺贝尔奖提名。探究量子力学的逻辑基础——贝尔现在最知名的工作——却是他主业之外的个人爱好。1964年，他就这一主题发表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。他延伸和深化了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两位不甚出名的同事鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森于1935年共同完成（人们通常以三人姓氏的首字母简称之为EPR详谬）。这篇论文在此之前一直饱受冷嘲热讽，直到约翰·贝尔为其正名四十年后，才以绝对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。注1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。[1]

注1 一篇被引用超过100次的论文可以被称作著名论文。[2]爱因斯坦在1905年关于狭义相对论和在1917年关于量子理论的经典论文，每一篇都被引用超过700次；而他在1905年关于原子大小的博士论文则被引用超过1500次。相比之下，1935年发表的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森论文，以及贝尔受其启发，在1964年发表的关于量子纠缠的论文，都曾被引用超过了2500次。

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，形成了主要的四种思潮：主流派、少数派、不可知论派和单纯的误解。其中三位创立者——玻尔、海森堡和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另外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”。此外，务实的人会说，理解这些事情的时机尚未成熟；困惑的人则干脆不理会这些难题，而代之以简单化的解释。

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，因为量子理论离不开诠释，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定义，那么方程本身就其意自明。但经过量子革命之后，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。

我们可以做这样一个类比。有一位不丹艺术家第一次前往纽约，在大都会艺术博物馆首次接触到西方绘画艺术。当他面对众多表现《圣经》中的人物犹滴一手优雅持剑、一手提着敌人荷罗孚尼的头颅的绘画时，他不难把握这些血腥故事中的要点。在20世纪以前，绘画本身便足以说清画家的意图。但当这位不丹艺术家来到古根海姆博物馆，面对一堆色彩深浅不一、富有动感的褐色条块时，他只能去看标题小卡片（现代艺术馆的常规设置之一），才会明白这幅画实际名叫《火车上的忧郁青年》。

马塞尔·杜尚的另一幅著名绘画《下楼梯的裸女》，比起任何一幅表现手拎头颅的犹太少女的画作都更为惊世骇俗，这幅画在1913年面世时就震惊了纽约艺术界。后来，海森堡有一本书的封面就采用了这幅画，似乎暗示了量子力学如同现代绘画一样，与过去大相径庭。同样，类似于杜尚及其后续者的绘画，量子力学也需要一张标题小卡片，以便将美丽的数学与外部的现实联系起来。而在20世纪二三十年代，物理学家们一直争论的正是该由谁来写这张卡片。

以下是参与其中的主要人物的思潮。

1．哥本哈根诠释

尼尔斯·玻尔（1885—1962），这位爱因斯坦终生的朋友和才智上的对手、哥本哈根理论物理研究所的创始人，试图用所谓“互补性”概念来解释这些难题。[3]对玻尔来说，互补性近乎一种宗教信仰，它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地加以解释），用来作为观察的平台。通常人们把像苹果、猫这样的经典力学研究的事物，想象成由像原子这样的量子力学研究的事物所构成，但玻尔认为，两者的依赖关系其实恰恰相反。在其1927年著名的科莫讲演中，玻尔强调，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。

接下去，玻尔并没有敦促物理学家去努力寻找某种方式超越这些“抽象概念”，继而得出更精确的描述，而是进一步主张：“在描述与我们通常的时空观有关的经验时，这些抽象概念是必不可少的。”[4]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。

玻尔的热情支持者维尔纳·海森堡（1901—1976）[5]和最佳批评者沃尔夫冈·泡利（1900—1958）[6]甚至更进一步，认为量子世界在某种意义上是由我们的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。

玻尔曾在一次与海森堡和泡利的谈话中这样说道：“那些在第一次遇到量子理论却不为之震惊的人，肯定是没有理解它。”[7]

2．“有些东西不对劲”

1909年，这时距离量子理论首次面世仅过了九年，阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）[8]就开始感到忧虑，因为量子理论暗示，一个世界由不可分离的、“不是相互独立”[9]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”[10]，甚至是以他戏称为“幽灵般的超距作用”[11]或“某种心灵感应式的耦合”[12]来互相作用的。在爱因斯坦看来，这清楚地表明量子理论中存在致命缺陷。

埃尔温·薛定谔（1887—1961）[13]则向人们表明，从表面上看，量子理论（尤其是以他自己的名字命名的基本方程）当中蕴含着一个异乎寻常的悖论。如果我们不全盘接受玻尔的观点，即像一只猫那样的宏观事物并不遵循量子力学的法则（尽管它毫无疑问是由遵循这些法则的粒子构成的），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，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来描述这个世界，但他始终未能如愿。

一位年轻的法国人——路易·德布罗意（1892—1987）[14]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，这种诠释有很多名字，最常见的是“隐变量理论”。对于德布罗意的诠释来说，一个与之相关的重要概念是“与观察者无关的量子理论”[15]——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。

3．时机尚未成熟

保罗·狄拉克（1902—1984，他总是以自己名字的首字母缩写P. A. M．示人）[16]发现的描述电子的方程是量子理论取得的最光辉的成果之一。他认为，现在对于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。

4．置之不理

与玻尔一样，马克斯·玻恩（1882—1970）[17]也是爱因斯坦终生的朋友，并对哥本哈根诠释做出了贡献。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明显是个死胡同，事实上，量子理论的大多数重大成果确实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，没有人敢于尝试去理解、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，揭示出了谜团之下的奇异景象。

玻尔曾说过：“真理与明晰性是互补的。”[18]意思是说，你越试图接近真理，你的表达就越不明晰，反之亦然。玻尔自然相信这一点，贝尔却不以为然，正如他对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。”[19]

玻尔的著作和论文如今已成为量子理论的“圣经”，被一代代新的物理学家所诠释和再诠释，但其中充斥了太多禁令（比如，断言某些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）。因此，从量子纠缠的历史来看，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。”