非局域性：從牛頓，到愛因斯坦，到量子物理

從小開始，我們就知道該如何接觸一個我們夠不到的物體：要么我們向它挪動，比如像嬰兒那樣爬過去；要么我們得用一個物件，比如說一根木棒，作為我們延長的手臂觸碰它。后來，我們了解到，更復(fù)雜的機(jī)制也是同一原理。比如：把一封信放進(jìn)信箱，信會先由郵遞員集中起來，手工分類或者用機(jī)器分類。接著裝上大貨車、火車或者飛機(jī)，然后運往目的地。網(wǎng)絡(luò)、電視以及其他數(shù)不勝數(shù)的日常案例告訴我們：任何兩個相隔的物體之間的相互作用總是從一點到另一點連續(xù)發(fā)生的——這些傳播方式依據(jù)的也許是某些復(fù)雜的機(jī)理，但是這些傳播都是連續(xù)的，我們能在空間和時間中定位其軌道，至少原理上是可以的。

然而，量子物理，這種研究我們?nèi)粘８兄澜缰獾膶W(xué)科。斷言相互之間距離很遙遠(yuǎn)的物體有時能構(gòu)成一個整體。這樣，盡管兩個物體被遙遠(yuǎn)的空間所分割，如果我們觸碰兩個物體中的一個，這兩個物體都會振動！如何才能相信這種事情？能對這樣一個觀點進(jìn)行實驗驗證么？我們需要搞清其原理么？我們能利用量子物理的這個“古怪”之處，即“分散的物質(zhì)能構(gòu)成一個整體”這個概念，來做到遠(yuǎn)距離通信么？這正是我們這本書要試圖回答的主要問題。

我將會和你們分享這個從另一世界得來的迷人發(fā)現(xiàn)。這個世界中萬物并不以連續(xù)的、點對點的方式相互作用，而是通過“非局域”的方式相連接。

牛頓的萬有引力定律眾人皆知。即：物體間存在著相互吸引作用，而且相互吸引的大小取決于它們的質(zhì)量以及相互之間的距離（更精確地說，作用力與相互距離的平方成反比，但是在這本書里這不是核心問題）。比如，太陽和地球通過引力聯(lián)系在一起。引力充當(dāng)向心力，使得地球在圍繞太陽公轉(zhuǎn)的近圓軌道上運行。這種聯(lián)系對于其他系統(tǒng)也適用，包括地月系統(tǒng)，甚至圍繞著星系團(tuán)中心旋轉(zhuǎn)的銀河系。

讓我們首先分析一下地月系統(tǒng)。月球所受到的來自于地球的吸引力取決于地球的質(zhì)量以及地月之間的距離，月球如何感知到這一作用形式的？即，月球究竟如何感知地球的質(zhì)量和兩者之間的距離？難道它像我們前文提到的那樣，伸出一根很長的棒子碰到了地球？或者它向我們發(fā)射某種微粒進(jìn)行探測？它們究竟是通過哪種特殊的方式進(jìn)行了交流呢？這種問題看似幼稚，其實卻很嚴(yán)肅，牛頓對其充滿不解，并為之陷入困惑的深淵。萬有引力定律，牛頓創(chuàng)立了它并且通過它贏得了巨大聲望，但在他自己看來，這一理論荒謬至極，“頭腦清醒的人都不會將它當(dāng)作一回事兒?！?/p>

目前，我們可以肯定地說，牛頓的直覺是正確的。雖然，為了彌補(bǔ)牛頓理論的概念性空白，付出了物理學(xué)家?guī)讉€世紀(jì)的艱辛以及愛因斯坦的天賦、智慧。時至今日，物理學(xué)家們知道引力以及正負(fù)電子間的相互作用并不是瞬間發(fā)生的，而來源于某種“信使”的傳播。因此，上面提到的“微?！奔僭O(shè)是正確的。物理學(xué)家對這些作為信使的微小粒子進(jìn)行了命名：引力的信使被稱為引力子，電磁力的信使則被稱為光子。

沿著這種物理學(xué)思維方式，自愛因斯坦始。物理學(xué)將大自然描述為一個只能在空間中進(jìn)行連續(xù)的、逐點相互作用的局域性實體的集合。這個觀點當(dāng)然符合我們對世界的直覺，也符合牛頓的觀點。但是現(xiàn)代物理學(xué)同樣建立在另一根理論支柱——量子力學(xué)之上，它被用于描述原子和光子的世界。愛因斯坦參與建立了這個理論。在1905年，他將光電效應(yīng)解釋為：光線中的微粒，即光子通過轟擊金屬表面并與表面的束縛電子發(fā)生相互作用而激發(fā)出電子，就像運動的彈球間的相撞一樣。但是，隨著量子物理的發(fā)展和成形，愛因斯坦開始排斥、批評這個理論，因為他很快察覺到為了維護(hù)這場物理“鬧劇”，需要引入一種超距離相互作用的概念。就像三個世紀(jì)前的牛頓一樣，愛因斯坦排斥這種假設(shè)，他認(rèn)為這是荒唐的，并將之形容為“鬼魅般的超距作用”。

今日，量子力學(xué)殿堂金碧輝煌地聳立起來了，成為現(xiàn)代物理學(xué)的核心。它確實蘊(yùn)含著一種可能讓愛因斯坦頗為不悅的非局域性概念，雖然在本質(zhì)上，這種非局域性與困擾牛頓的非局域性迥然不同。