幽灵般的超距作用：重新思考空间和时间

Spooky Action at a Distance:The Phenomenon That Reimagines Space and Time--and What It Means for Black Holes,the Big Bang,and Theories of Everything

幽灵般的超距作用：重新思考空间和时间/（美）乔治·马瑟（George Musser）著；梁焰译.--北京：人民邮电出版社，2017.3

（科学新经典文丛）

ISBN　978-7-115-44638-1

Ⅰ.①幽…　Ⅱ.①乔…②梁…　Ⅲ.①物理学—研究　Ⅳ.①04

中国版本图书馆CIP数据核字（2017）第030176号

◆著　［美］乔治·马瑟（George Musser）

责任编辑　刘朋

责任印制　彭志环

◆人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164　　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

北京隆昌伟业印刷有限公司印刷

◆开本：880×1230　1/32

印张：9.25　　2017年3月第1版

字数：199千字　　2017年3月河北第1次印刷

Spooky Action at a Distance: The Phenomenon That Reimagines Space and Time-and What It Means for Black Holes,the Big Bang,and Theories of Everything

Published by arrangement with Scientific American/Farrar,Straus and Giroux,New York

through Bardon-Chinese Media Agency

内容提要

空间是什么？我们大多数人一般不会问这个问题。空间是物理学的“住所”，物理学只能在空间里“玩耍”；事物在空间中存在，在空间中运动和形成。然而在过去的几十年里，物理学家发现了一个奇特现象，它超越了空间和时间的管辖范围。这个现象称为“非定域性”，即两个粒子无论相距多么遥远却同步共舞，看起来像魔法。爱因斯坦看到这种现象时惊讶得找不出一个合适的词，便称之为“幽灵般的超距作用”。

最近这个现象显得更加神秘，因为其他形式的非定域现象相继被发现。在黑洞里、在粒子碰撞中甚至在引力的运作中，都发现了这种“幽灵般的超距作用”，潜在地它威胁了我们对物理现实的最基本的理解。如果空间不是我们以为的那个样子，那么空间到底是什么？

在本书中，著名科学作家乔治·马瑟试着回答这一问题。马瑟对非定域性问题进行了大胆探索，采访了试图解释这个问题的科学家。他带领我们踏上史诗般崎岖漫长之旅，走进观察粒子的实验物理学家的生活，走进观察星系各向均匀性的天文学家的生活，走进揭开大爆炸之谜的宇宙学家的生活。他考察了20世纪科学的重大发现和重大混乱，跟踪了非定域性这个非常有争议的话题，展示了尽管实验证据无可争议，但科学家们却提出了截然不同的解释。科学家们的结论不仅挑战我们对空间和时间的理解，而且也挑战宇宙起源的解释。那些卓有见识的物理学家提出了新的物理学大统一理论。

其他

关于本书的评论

宇宙两端的两个亚原子粒子真的有瞬间链接吗？是不是任何预言这种链接的理论必然是有缺陷的或不完整的？显示这种链接的实验结果是否被误解了？这样的问题挑战了我们最基本的空间距离和时间概念。在本书中，乔治·马瑟优雅地穿行于这些极其烧脑的难题之中，探讨它们的历史、科学和哲学，阐述了科学领域最前沿的思想。

——马里奥·利维奥，天体物理学家，畅销书《巨人铸成大错》《黃金比例》作者

这本书充满富有智慧的隐喻和冷面的幽默。广受赞誉的科学传播者乔治·马瑟是一位完美的导游，他带领我们通过虫洞和涌现的维度到物理学的最前沿做了一次神奇的旅行。空间的本质到底是什么？追问这个问题可能永远地改变你思考真实世界结构的方式。

现代物理学正在摧毁我们周围的空间，宇宙再也不是从前的那个宇宙了。在这本引人入胜的书中，乔治·马瑟带领我们穿越科学和哲学的丛林，走到世界的一个边缘地带，那里有截然不同的景象。

——肖恩·卡罗尔，加州理工学院理论物理学家，《寻找希格斯粒子》作者

定域性一直是富有成果的和可靠的原则，它指导20世纪物理学走向胜利。然而，定域性法则应用于量子理论时却显得如同幽灵一般，一些理论物理学家正在质疑定域性本身。这本书生动地介绍了这些迷人的困惑和猜测。

不懈追问现代物理学遇到的众多难解之谜，而这些谜团的解决可能解释量子粒子和黑洞的怪异现象，揭示自然的内在统一性。

乔治·马瑟像一位出色的导游，他带领我们到物理学前沿领域做了一次迷人的旅行，直逼科学中最古老的问题之一，即什么是空间？绝妙之处在于，我们越是深入探讨这个问题，这个问题就变得越有魅力。

——李·施莫林，圆周理论物理研究所创始教员，《物理学的困惑》作者

乔治·马瑟巧妙地追踪了我们探索这个奇异现象的历史，书中涵盖了从弦论到多重宇宙以及物理学统一理论等诸多富有挑战性的话题。

一次非常令人愉快的阅读体验……通过精湛的写作技巧将大量信息有机地组织起来，带你前往物理学前沿领域，去看看那些你应该了解的、引人注目的神秘现象。这本书将点亮你一年的阅读时光。

雄心勃勃的写作计划……将晦涩难懂的物理学理论转换成趣味盎然且为外行人所能轻松阅读的语言，作者在这方面做了里程碑式的工作。

围绕着这个被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”的概念，科普作家乔治·马瑟进行了出色的研究，将曲折的历史故事和颠覆性的哲学猜想结合起来……证明这是科学领域中最引人注目的争议之一。

平易近人，富于想象，思维清晰，语言幽默……马瑟的写作精彩纷呈，他巧妙地捕捉到了探索宇宙奥秘过程中的兴奋和沮丧。

一本非常重要的书，包含有人类理解空间、时间和宇宙本质的最新进展的深刻洞察。认真读读这本书很有好处，物超所值！

——约翰·格里宾，《华尔街日报》，《寻找薛定谔的猫：量子物理和真实性》作者

富有启发性，而且有很强的趣味性。这是一本难得的好书，它带领我们超越早期流行的物理学理论，进入当代物理学的荆棘丛林。

一个优秀的科普作家必须向我们展示，那些构建了科学理论的科学家是有可能出错的，然后告诉我们为什么，以及去掉了人类的弱点或缺陷之后，该理论仍然是可靠的。《科学美国人》撰稿人及编辑乔治·马瑟的这本新书令人瞠目结舌，任何经过良好检验的科学概念都不会像超距作用这样令人匪夷所思。表面上看这本书讨论的是量子纠缠，实际上是探讨的是观察者之间的纠缠。马瑟提出了艰深难懂的“非定域性”物理学概念，而且他问的不是这件古怪事情的真假问题，而是既然科学家们已经对这件古怪的事情知道了那么长时间，但为什么很多人不愿意面对它。

马瑟探讨了人类博弈非定域性效应的历史，介绍了量子力学研究人员、天文学家、宇宙学家以及许许多多其他的人在如何思考宇宙到底是怎样运作的，同时揭示了研究人员在推进他们对物理世界的理解的过程中是多么混乱、非线性和惊心动魄。

马瑟是一位机敏的作家。他的这部新闻写作风格的图书文笔流畅，通过丰富的人物访谈，触及了科研人员的内心世界，其中穿插着他们的生活小插曲，读起来令人愉快。作为一个实验物理学家，我从中学到了很多，对这个曾经令我困惑的领域有了新的想象、新的理解和新的洞察。

我同意其他许多人的看法，认为马瑟是最优秀的报道物理学前沿研究的科学作家之一……他的书有很多引人入胜、不拘一格的想法，读完之后连续好几天我一直在思考它。

引言：爱因斯坦的空中楼阁

20世纪90年代初我读研究生，第一次听说非定域性[1]时，不是我的量子力学教授告诉我的，他不打算讲非定域性，连提都不想提。一次我在附近的书店闲逛，发现了一本新出版的书《有意识的宇宙》，书中声称“从来没有什么发现比非定域性更违反日常对物理实在的直觉”。这让我很吃惊，了解这个现象有一种品尝禁果[2]的感觉。

在日常用语中，“locality”（局域性、本地性）这个词指邻里、小区或其他地方，有点儿夸大其辞。但它的本意，远在17世纪就是“地方”的概念，意思是任何东西都有个地方。你总可以指着一个东西说：“它就在这儿。”如果你不能指出它在哪里，那它一定不是真的存在。如果老师问你作业在哪里，你说我的作业不在任何地方，那你可得解释清楚。

我们体验的世界拥有地方或位置的属性。我们有很强烈的地方的感觉，属于一个地方关系网的感觉。和所爱的人分离会让我们感觉痛苦，和想帮助的事物相距太远会让我们感到无能为力。可现在，量子力学和物理学其他分支暗示，在深层次也许不存在地方这个概念，也不存在距离这个概念。物理实验可能把两个粒子的命运绑定在一起，表现得就好像一对魔术硬币，总是和自己的伴侣同时同一面朝上或朝下。这一对难兄难弟步调如此一致，尽管没有任何“力”穿行于二者之间。这两个粒子可能会旋即分开到宇宙两端遥遥相对，而仍旧步调一致。它们违背了定域性原则，超越了空间的局限。

显然，大自然选择了一个很特别、很巧妙的平衡：在大部分情形下它遵守定域性原则，而且如果人类存在，它就必须遵守定域性，然而大自然悄悄在基础层面留了一个非定域注脚。这两个方向的张力就是本书要讨论的。对研究非定域性的人来说，所有物理学之谜，物理学家这些日子遇到的跨越物理学各分支的疑点，不仅包括量子粒子的古怪现象，而且还包括黑洞的命运、宇宙的起源以及自然的内在统一性。归根结底，非定域性是始作俑者。

对爱因斯坦来说，定域性是更大的哲学问题的一个侧面：为什么人能够做科学研究？为什么这个世界构造得让我们能够讲出道理？爱因斯坦于1936年写了一篇著名的文章，说最不可理解的是宇宙竟然是“可理解的”。乍一看，这句话本身就不可理解。宇宙不是那么显然有理性的，它任性狂野、变幻无常，充满了误区、妄为、不公和不幸。宇宙里发生的大部分事情都挑衅理性思维，尤其是浪漫的时候和开车的时候。然而在这个令人费解的背景下，世界又令人欣慰地呈现出规律性的光芒：太阳总是从东方升起，手里的东西一松手总会落下，雨后常常出现彩虹。人们研究物理学是基于这样的信念，即这些规律性并不是个别令人满意的现象，而隐约说明物理学底层是有秩序的，虽然从表面上看生活是杂乱无章的。

爱因斯坦的意思是，物理学家真的不应该指望有秩序。世界不一定非要有秩序，世界本来不一定要遵纪守法，在另一种情形下，它本来可以混乱无章到底。一个朋友写信问爱因斯坦，问他说的“可理解性”是什么意思。他回信道：“一种先验知识，就是说人应该期待的原本是混沌无序的世界，不可能被头脑理解的。”

尽管爱因斯坦说可理解性是一个我们永远不可能理解的“奇迹”，但他还是试图理解。他在整个职业生涯中都在试图明确说明是什么让宇宙有合理性，他的思想奠定了现代物理学课程的基调。比如他认识到，自然的内在运作是超对称的，即如果你换一个角度看世界，看起来是一样的。对称性将扑朔迷离的已发现的粒子动物园[3]组织起来，形成秩序；粒子的整个族群在一定意义下彼此非常相似，互为镜像。虽然很多属性为我们能够理解这个世界带来希望的曙光，但爱因斯坦总是提到“定域性”，认为定域性是最重要的属性。

对于定域性概念，不同人的用法存在微妙的差别。对爱因斯坦来说，它有两个侧面的含义。第一个他称为“可分性”，意思是你可以把任意两个物体分开，或把一个物体的两部分分开，而一个一个分别考虑，至少原则上可以。你可以把餐桌旁的一把椅子移走放在餐厅的一角，这把椅子的属性（大小、款式及舒适度）不会变化。整个餐厅的属性是所有餐桌餐椅的属性的总和。如果每把椅子可以坐一个人，那么4把椅子可以坐4个人。整体是部分之和。定域性的第二个侧面，爱因斯坦称之为“局部作用”，意思是两个物体之间的相互作用只能通过直接碰撞或雇佣中介将二者联系起来。和我相隔一定距离的人，我知道我不能影响他，除非跨越距离亲自来到他身边，能摸着他，跟他面对面谈，或能打他一拳。不管怎样，能和他直接接触，或选择一个中介代办。现代技术并没有逃避这一定域性原则，只是启用了新的中介。电话把声波转换成电子信号或无线电波，信号通过有线或无线方式传到另一端，然后信号被转换回声波。沿途每一步，必须直接接触一下另一个东西。要是电线中有头发丝那么大的裂痕，消息就走不了多远，好像在没有空气的月亮上尖叫。简而言之，可分性定义了什么是物体，局部作用规定了物体能做什么。

爱因斯坦在他的相对论中捕捉住了这些原则。具体地，相对论说任何物体的运动都不能超过光速，如果没有这个速度限制，物体的运动速度可能无限快，那么距离就失去了意义。物理学家们以为，所有自然之力必须慢慢地、迂回地、费力地穿过太空，而非如物理学家从前以为的那样，一下子跳越太空。这样相对论给出了一个测量办法来测量分开的物体之间的孤立程度，从而保证它们的鲜明个性。

对你来说，相对论和其他物理定律要么令人欣慰地说明了宇宙的深层秩序，要么是大煞风景的规矩，令人烦恼，好像严厉的父母剥夺了你全部的生活乐趣。这取决于你的心态。要是我挥挥胳膊就能飞起来，那该多好！可对不起，谁也不行。要是我们能凭空创造新能量，那么许多世界难题不就解决了？可对不起，物理定律不允许。物理定律只允许能量从一种形式转化成另一种形式。现在你瞧瞧，又来了一个苛刻限制——定域性，毁掉了人类超光速宇宙飞行和有心灵感应的梦想。球迷永恒的希望是他们可以通过在胸前划十字，或从座位上站起来大喊几声有见地的话，助自己心爱的球队一臂之力。不幸的是，定域性让他们的希望破灭。如果你的球队正在输球，而你又特别认真地想去帮忙，那对不起，你非得亲自跑到球场上去。

但定域性对我们是有好处的。它让我们有自我感觉，让我们相信我们的思想、我们的感觉是属于我们自己的。恕我直言，约翰·多恩[4]先生，每个人的确是一个孤岛，完全孑然独立的孤岛，人与人之间相隔大海一样宽广的空间，我们应该感恩这点。如果没有定域性，世界就会充满神奇魔幻，但不是那种快乐的、迪斯尼乐园似的神奇魔幻。如果球迷们希望从自己的客厅控制比赛，他们一定要小心自己到底想控制什么，因为对方球队的球迷也会有办法控制比赛。全国各地数百万赖在沙发上看电视的球迷会拼命给自己的球队一点好处，使得比赛本身失去意义，变成了球迷的意念比赛，而不是场地上运动员的比赛。不仅仅体育比赛，整个世界都会跟我们不友好。在没有了定域性的世界里，你身体外面的东西能伸到你的体内去而无须穿过皮肤，而你自己的身体对自己的体内状态将失去控制权，和环境融为一体。那么，根据定义，这就是死亡。

爱因斯坦将目光锁定于定域性原则，把定域性原则当作理解自然的关键先决条件，这凝结了两千年的哲学和科学思想之精华。对亚里士多德和德谟克利特等古希腊思想家来说，定域性使理性解释成为可能。如果物体之间能通过直接碰撞彼此影响，那么你就可以一个一个地按顺序解释事件：“这个撞击了那个，那个撞上了另一个，然后另一个又撞上了其他什么东西。”任何事情有果必有因，这个原因是由时空中一系列不间断事件顺序链接导致的。不可能有什么事令你不得不举起双手嘟囔着说：“然后奇迹发生了。”古希腊哲学家嘟囔的并不是奇迹——他们不是无神论者。即使上帝，他们觉得，也应该用清楚可解释的规则对这个世界施加影响。定域性不仅对哲学家和科学家寻求那种类型的解释很关键，而且对采纳的方法也很关键。定域性保证他们把一件事和另一件事分开，一个个分别理解，一步一步地建立起世界的整个图景。他们不会面对一次性全部解决——这是不可能完成的任务。

1948年，爱因斯坦在生命的最后阶段写了一篇短文总结了定域性的重要性：“物理学概念指向一个真实的外部世界……那些声称独立于主观的真实存在的东西……这些东西据称是彼此独立存在的，意思是存在于空间的不同地方……如果没有这一假设，没有这一空间中相互隔开的物体彼此独立存在这一源于常识的假设，那么我们熟悉的物理思想几乎是不可能的。而且如果没有这一分隔，就没人能看得出来物理定律是怎样构造出来和怎样得到检验的。”

定域性之所以有如此普遍的重要性，因为它是空间这个概念的精髓所在。我的意思不仅仅是指“外层空间”这一宇航员和小行星的领地，而且包括环绕在你我之间、我们的身体和其他一切东西占据的空间，比如我们挥舞棒球棒所需的空间，或者我们打开卷尺测量距离的空间。不管你是通过望远镜观察行星还是用望远镜偷看你家邻居，你都在通过空间窥视。对我来说，这美丽的景致来源于跨越空间的令人晕眩之感，一种当你意识到山谷另一边的那个小点点实际上就在那里，只要你的手臂伸得足够长就能够着的、水平晕眩之感。

油画家早就意识到，空间不是空的，而是有理由独立存在。在油画构图上，帆布上的物体之间放什么东西与物体本身同样重要。空间对物理学家来讲是物理实在的油画帆布。几乎我们身体的所有属性都是空间的。我们每个人占据一个空间，我们有形状，我们会运动。细胞和体液在我们体内的空间中舞蹈，舞蹈设计精妙复杂。我们的思想是在空间中穿行的冲动。我们和世界上其他物体的所有相互作用都通过一定的空间来实现。活的生命体也是物体，物体难道不就是凭借在宇宙中占据一块儿来空间，从而获得个体唯一标识的吗？

物理学根基于研究物体如何在空间中运动，而空间几乎事实上定义了所有物理量：距离、大小、形状、位置、速度及方向。其他物理量也许看起来与空间无关，但其实与空间有关，例如颜色对应于光波的长短。只有很少几个物理量还没有已知的空间解释，例如电荷，而这些物理量也通过在空间中运动发生折射而暴露自己的真实身份。但我们观察一个物体时，关于它的一切最终都是空间的，是从其粒子如何在空间上排列而产生出来的，而粒子本身则是光溜溜的小点。先有形式，后有功能。即使非空间概念到了物理学家头脑里也会变成空间的，时间变成了图上的一个轴，自然法则变成了在“可能性”的抽象空间中运行。对爱因斯坦有直接影响的、最具权威性的康德思想，认为不可能想象没有空间的世界。

成也萧何，败也萧何。定域性曾经辉煌到极点，但也成了自己的掘墓人。命运真能捉弄人。尽管爱因斯坦因相对论而为世人熟知，但事实上他因共同创建了量子力学而获得了诺贝尔奖。量子力学描绘了原子和亚原子的行为。事实上，物理学家们认为量子力学描绘了一切事物的行为，尽管量子效应在微观尺度下最为明显。爱因斯坦和他同时代的物理学家悟出这样一个理论：原子和粒子不可能仅仅是我们周围看到的东西的微缩。因为如果是这样的话，即如果原子和其他粒子的运动规律符合牛顿及其同时代人的经典物理定律，那么这个世界一定会自我毁灭。原子会坍塌；粒子会爆炸；灯泡会噼里啪啦作响，放出致命的辐射。我们现在仍旧活着，那意味着物质一定由一组新的物理定律支配。爱因斯坦欢迎了这一新奇现象。事实上，尽管他最后（不公平地）获得了经典物理学最后守护者的称号，其实他自始至终都欣赏这些量子世界的奇异特性，思想非常前卫。

这些奇异特征之一是非定域性。量子力学预言两个粒子可能变成孪生兄弟。为了将两个粒子耦合起来，需要一个机制，所以这两个粒子应该完全是自主的；可在量子力学里，碰了一个就等于碰了另一个，好像距离对这两个粒子毫无意义。分而治之[5]的科学方法对这两个粒子失效。两个粒子有联合属性，如果你只看一个粒子，那么你抓不住这些联合属性，你只能将这些粒子绑在一起观测。我们这个世界纵横交错着这些看起来非常神秘的关系之网。你身体里的原子保留了一个纽带，连接着每一个你曾经爱过的人。这话听起来很浪漫，但当你意识到你也连接着每一个走在大街上处处跟你作梗的古怪人时，可就不那么浪漫了。

宇宙两端遥遥相对的粒子不可能被连在一起，对不对？爱因斯坦认为这个想法很傻，历史好像回到了科学诞生以前的巫术时代。他论辩道，任何理论如果隐含“幽灵般的超距作用”之含义，那一定是有什么东西还没找到。他猜这个世界其实是定域的，只是给你一个非定域的假象。他想寻找一个更深的理论，将隐含的两个粒子协同作用的机制表达出来。他也许尝试过，但他永远也不可能找到这样的理论，他承认过也许他自己就是那个没有找到的东西。也许不存在暗中的发条装置。定域性原则以及我们想象出来的空间可能根本就不存在。在他去世之前几个月，爱因斯坦思索过如果空间这个概念解体，那么对于我们对这个世界的认知将意味着什么。他说：“我的整个空中楼阁都将化为乌有，不仅是万有引力理论，而且现代物理学的其余部分也将化为乌有。”

更鬼魅的是爱因斯坦同时代物理学家的乐观态度。对他们来说，非定域性不是问题。他们对此不屑一顾的理由非常复杂，物理学家们至今仍在争论，但也许最善意的解释是实用主义。让爱因斯坦烦恼的问题，似乎与量子理论的实际应用无关。但只有到了20世纪60年代新一代物理学家和哲学家才真正耐心听取了爱因斯坦的担心。他们的实验暗示非定域性在理论上并不奇怪，而是真实生活的写照。而且即使在那时，他们的大部分同事都不会多想这个问题。这就是为什么我在读研究生的时候对这个问题百思不得其解。

但是在过去的20年里，我看到学界的态度在慢慢但显著地改变。非定域性突然进入主流物理学里，席卷范围远远超过爱因斯坦发现的现象。作为科学撰稿人和编辑，我有幸采访了各行各业的科学家，他们有的是研究亚原子物理的，有的是研究黑洞的，有的是研究宇宙宏观结构的。我常常听到类似这样的说法：“可是很古怪，如果不是亲眼所见，我不可能相信，但的的确确看起来世界只可能是非定域的。”这些研究人员就像宇宙两端的粒子，彼此互不相识，不知道对方的存在，却意识到同样的结论。

如果爱因斯坦认为非定域性有巫术的味道，新的研究是否支持这个所谓的超自然现象？有些人认为是这样。在过去的10年里，一些科学家猜想粒子之间的非定域联系可能赋予你超自然的特异功能。例如，如果你大脑里的粒子和你朋友大脑里的粒子发生量子纠缠，也许你们俩之间就会有心灵感应。另一个极端，许多物理学家觉得非定域性研究有超自然暗示，是胡言乱语，因而完全不去理会这一学科的研究。事实上，粒子之间并不存在联系。没有任何证据站出来支持第六感官（ESP[6])，而且所讨论的那些非定域现象实在微不足道，不足以使思想转弯或控制远方的棒球比赛。

有些人对此很失望。其实，他们不应该失望。如果世界不是魔术般的那才叫奇怪呢。我前面讨论过，定域性是人类存在的一个前提。任何非定域性都要安全妥善地收藏起来，只有在特定条件下才显露出来，要不然我们的宇宙就会很不利于生命的产生和发展。非定域性现象如此惊心动魄，远远超越任何超自然现象，它给我们提供了一个窥探真实物理实在的窗口。如果影响力能够跨越空间，看起来就好像空间并不真的存在一样，那么自然的结论是，空间并不真的存在。哥伦比亚大学弦理论家布莱恩·格林在2003年出版的《宇宙的结构》中写道，非定域关联“告诉我们，在底层，空间并不是我们曾经认为的那样”。那么，空间到底是什么？研究非定域性可以为解答这个问题提供线索。许多物理学家现在认为空间和时间的概念将被颠覆，空间和时间不再是自然的基本元素，而是从一些原始的无空间状态生成的产物。空间就像一个大地毯，边缘毛毛糙糙，而且有磨损的痕迹。正如我们仔细观看地毯磨损的地方时能看出来地毯是怎么编织的，通过研究非定域现象，我们可以窥见空间是如何从没有空间属性的构件中编织出来的。

世界领先的物理哲学家之一、纽约大学教授蒂姆·莫德林说：“我一直认为，现在仍然认为，非定域性的发现和证明是20世纪物理学的一个最惊人的发现。”在20世纪90年代末的一篇论文中，他总结如下：“世界不是由一组分置的、定域的、只通过空间和时间外在建立联系的实体组成的。世界是由一些更深层次的、更神秘的东西编织出来的。物理学进展到这个时刻，该开始沉思到底是什么。”

与此同时，准确地说因为这个问题生死攸关，其他科学家告诉我，非定域性不可能是真的—— 一个或两个非定域现象到头来将被证明是误解，把这些现象混为一谈是不对的。物理学家们基于空间概念的逻辑推理取得了巨大的成功，他们不可能轻易放弃。其中一个物理学家、不列颠哥伦比亚大学物理学教授比尔·盎鲁与爱因斯坦有同感“：如果我必须知道宇宙的所有一切才算无所不知，如果我真的把‘非定域性’看成重要的事，如果地球上所发生的事情决定于遥远的星星，那么研究物理学就没有什么意义了。我们有可能研究物理学是因为世界是可划分的。如果我们真的需要看星星才能知道我们的未来，那么我看不出来我们怎么研究物理。”

除了其内在的魅力，非定域性是科学论辩法的理想例子。莫德林和盎鲁之间的分歧是纯精神的，没有任何经济利益让你怀疑其背后的动机，没有埃克森美孚说客咆哮公堂，争论没有个人感情因素，大部分人都是朋友。数学是非常简单的，实验结果毫无争议。而且争论还在进行，将历经几代物理学家。今天的学者们仍在排练着20世纪二三十年代爱因斯坦和对手的争论。为什么会是这样？如果专家们都意见不一，那么我们其他人怎么办？

想一想最近一段时间声名显赫的科学大辩论——气候变化。大多数气候学家认为人类活动造成全球气候变暖，但仍有许多人坚持不同意见。而对于那些读报纸或浏览网络的人来说，这种争论令人疑惑，因为大多数人没有时间变成大气环流模型专家或长波辐射测量专家。但我将看到的是，大争论将在实际意义下被解决，不论专家们是否还继续争论。在大气变化方面，公众总是知道需要做什么，不需要做什么。的确，气候变化所导致的灾难很可能发生，但规避这种风险只需要一点谨慎就行了。正如即使没有燃烧理论的博士头衔，你也应该知道为自己的房子买火灾保险一样。同样道理，对于非定域性这件事，即使最死硬的怀疑派现在也承认的确发生了很古怪的事，这些事迫使我们重新思考曾经深信不疑的时空概念。如果我们想知道宇宙是怎样诞生的，以及自然界是怎样完美地结合在一起的，那么我们需要理解这些古怪的事到底是怎么回事。

社会故事并不仅是科学的花边，它其实是与科学密切相关的，因为在不断变化的研究领域中，概念在碰撞，没有什么是完全清楚的。科学门外汉以为科学采用的传统方法，即运用事实、逻辑、方程和实验是不足以形成一个封闭体系的。科学家们必须找到他们的直觉、隐含的比喻，以及运用判断来确定他们的基本原则是否充分。我自己在决定研究非定域性后，曾开始了一段闲适的自然远足，但很快发现自己钻进了离奇的热带雨林，树影婆娑，光怪陆离，到处都是迷宫般的小路以及爬满火蚁的把手。有些物理学家一听说要反叛最古老最深刻的科学概念就兴奋起来，另一些物理学家则生气地直耸肩。如果定域性失效，是不是意味着我们的宇宙是不可理解的（正如爱因斯坦担心的），抑或物理学家能找到其他让宇宙可理解的方法？

[1].nonlocality，非定域性，也有人翻译成“非局域性”。——译注

[2].源自《圣经》，亚当和夏娃偷吃了禁果，从此被逐出伊甸园。——译注

[3].zoo of particles，科学家已经发现了几十种基本粒子，列出一个长长的粒子名单，称之为“粒子动物园”。——译注

[4].约翰·多恩（John Donne），是英国詹姆斯一世时期的玄学派诗人。他曾写道：“没有人是孤岛。”因此这里作者说：“对不起，每个人的确是个孤岛。”——译注

[5].分而治之，Divide and Conquer，一种对付复杂问题的有效计算方法。——译注

[6].ESP，Extrasensory Perception，超感官知觉，俗称第六感，某些人认为人存在一种超出视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉的能力。——译注

第1章形形色色的非定域性

恩里克·加尔韦斯的实验室在科尔盖特大学，大约有可放两辆车的车库那么大。像大多数的车库一样，实验室里面塞满了东西。沿墙有个工作台，其上堆满了工具箱和各种失修的电子齿轮。一进车库，左边是最常用的装置——咖啡壶。房屋中间是一对光具座装置——两个达到工业强度的钢制平台，每个大小都像餐厅里的餐桌一样。桌子上钉着带有小孔的板子，为的是装镜子、棱镜、透镜和滤光片。加尔韦斯说：“感觉就像再玩一遍 Erector 玩具[1]。”加尔韦斯是一个敦厚的秘鲁人，长得特别像阿尔·弗兰肯[2]。

如果什么人愿意担当向世人展示量子纠缠的重任，那无疑非加尔韦斯莫属。量子纠缠是现代物理学家观察到的最著名的非定域现象之一，爱因斯坦觉得它很像幽灵，有不祥的预感。“纠缠”这个词取自爱情里的浪漫纠缠之意：一种特殊的、有潜在麻烦的关系。两个粒子纠缠在一起，意思并不是字面意义上的像线团那样互相缠绕，而是它俩之间有一种特殊的超越空间的暧昧关系。如果生成、偏转和测量的光束不是一般的手电光束，而是纠缠的光子形成的光束，你就能看见这种效应。这个实验的早年版本是20世纪70年代在伯克利和哈佛做出来的，里面有一些疯子科学家用的非常奇怪复杂的仪器：一个滚烫的炉子、一组玻璃窗格和一架哗啦作响的电子打字机。现在加尔韦斯利用了Blu-ray激光器和光学纤维，让这套装置最小化，以致它可以放在教室内的课桌上。

大多数我见过的实验物理学家内心深处都是喜欢捣鼓小器具的手艺人，容易被一些酷玩意儿迷住，正如容易被宇宙的神秘性迷住一样。新加坡量子技术中心的一个实验物理学家告诉我，进入他的实验室的学生必须经过一个小测验，小测验里没有一道物理题目，而是讲故事，故事里必须讲你怎么把自己家里的电器拆掉，然后在家里人发现之前怎么设法组装回原状。显然，很多人选的是洗衣机。对加尔韦斯来说，他的童年对玩化学——那些各种各样的爆炸玩意儿——最有激情。他生长在秘鲁首都利马的一个中产阶级社区，一次他和朋友尝试着做火药，最后做成的是一个冒烟的炸弹，效果差不多。“（这）比爆炸的东西更有意思。”加尔韦斯边回忆边说，“就是有点危险。”

加尔韦斯称自己几乎是很偶然地成为一名研究非定域性的物理学家的。和大部分物理学家一样，他当时对非定域现象没有想得太多。20世纪90年代末期，一个同事带着一个戏剧性的新闻来到他的办公室，告诉他说奥地利物理学家安东·塞林格和他的实验室用量子纠缠把粒子从一个地方瞬间传送到另一个地方。“瞬移？！”任何《星际迷航》 [3]影迷听了这个都会精神一振。尽管塞林格团队只是一个个地传送光子，而不是一次传送整个飞船空降师，这个消息仍然很“酷”，比得上冒烟的炸弹，而且这个过程非常直截了当。假设你想把一个光子从实验室左边瞬移到右边，首先你需要准备好瞬移传送器，也就是生成一对彼此纠缠的光子，并且把它们分别放在实验室两边。然后，把要传送的光子拿出来，让它和左边的粒子产生交互作用。由于这两个纠缠的粒子之间有特殊的关系纽带，右边的粒子立即感受到这种交互作用，允许光子在右边重构。（有人怀疑这个过程不算真正的“瞬移”，他们认为这个过程神似“身份盗用”。实验者剥夺了左边粒子的性质，将这些性质推到右边的粒子上。但一个粒子无非就是它的所有属性的总和，所以这两组性质等同于同一个东西。）

加尔韦斯及其同事已经有了全套仪器设备，不久他们就开始在实验室里输运粒子了。他说：“我们当时只是为了好玩，想看看瞬移是怎么回事。”另一个同事提出设计一个连“诗人学物理”班的学生都可以做的物理纠缠实验。实验并没有做瞬移，而是实现了纠缠实验过程的第一步也是最重要的一步，即生成纠缠的光子并将它们分开。对于这个现在看来非常简单的实验装置，他们当时在实验室里汗流浃背地干了两年。加尔韦斯开始在ALPhA工作室（一个物理教育小组）为老师们演示这个实验是怎么做的，他把实验过程做成手册放到网络上，让那些喜欢自己动手做实验的人也能在自家地下室里做粒子纠缠实验。ALPhA的前任主席戴维·凡·巴克欢呼道：“太棒了，纠缠实验不再只是研究所和大学的事了，它已经走到寻常百姓家中去了。”

在我访问加尔韦斯实验室的那天，他的一个光学平台（光具座）让给了量子纠缠实验，实验目的不仅是演示纠缠，而且也研究造成纠缠的原因。我认识到实验基本上是高技术版本的鲁宾·戈德堡投币装置，只不过用光子代替了硬币，是“正面朝上”还是“反面朝上”取决于光子是否穿过滤光镜。系统经过微调可使得光子穿过滤光镜的概率为50%，正如投掷骰子。该实验的基本思路是生成一对硬币，两个同时投掷，记录是正面朝上还是反面朝上；然后再生成一对，投掷、记录……重复几千次，将统计数据叠加起来。乍一看，要想得到一个可预测的结果需要费好大工夫，但如果你想到我们说的是量子硬币就不是这样了。显然将粒子想象为硬币只是一个比喻，但只要你不在字面意义上去理解它，就完全是合理合法的。物理学家利用比喻理解现象。

为了启动这套装置，加尔韦斯打开一台紫外激光器，让激光通过一组光学元件，以保证光束对齐。激光打到一块小小的硼酸钡晶体上，这是中国科学家20世纪80年代发现的一种材料，它可以把一束紫外光分解成两束红光。分解以粒子为最小单元，如果你放大仔细看，就会看到由一个个光子组成的光束，就会看到有些紫外光子打到晶体上，然后能量分解成一对双胞胎红色光子。瞧，一对硬币！晶体的上游是一个称为波片的光学元件，加尔韦斯用它来控制晶体的输出。红色光子是否纠缠取决于他怎样设置波片。

一旦两道红色光束分道扬镳，它们就不再相互作用了。加尔韦斯将两道红光分别对准两个偏振滤光镜（就像摄影师加在镜片上以消除不必要的强光的偏振滤光镜），如图1-1所示。滤光镜允许光子穿过或挡住光子，这取决于它们的振动方向——极化方向。加尔韦斯可以通过旋动滤光镜一侧的旋钮来控制让哪些光子穿过。在这个实验里，他把两个滤光镜设置得完全一样，随机地只允许一半数量的光子穿过，从而模拟硬币投掷实验。

从滤光镜中穿过的光子被送至探测器，探测器将它们转换成电子脉冲。探测器是全套系统中最昂贵的（打破了得赔的那种）部件，非常敏感，能够探测到一个光子。探测器每件价值4000 美元，很容易被强光损坏。即使室内灯光全部关掉，探测器的读数也会疯狂跳动，因为即使只有一丝灯光也会让指针冲上去。看着这些探测器的指针，不禁让人想到，一个看上去漆黑的房间实际上是多么明亮。我们必须保证电话和笔记本电脑完全关掉，因为只要LED灯光闪一下，整个实验就会前功尽弃。“有一段时间我们不得不将实验室里所有闪光的东西都用黑色胶带封上。”加尔韦斯说，“要是你知道我这个实验室里有多少闪亮的东西，你会很吃惊的。”他把一块黑丝绒布铺到仪器上，然后在整个光学平台四周拉上一道厚厚的帘子。

最后，探测器连上有3个电子读数的仪表。该仪表安放在帘子外面，其中两个读数显示穿过左边和右边偏振滤光镜的光子的个数。加尔韦斯打开激光器，读数就像以微秒为单位的秒表一样往上跑。第三个读数显示“符合数（coincidences）”，就是一对纠缠的光子都通过了自己的滤光镜的对数。用投币实验比喻，一次“符合”意味着两个硬币的正面都朝上。这些符合数是加尔韦斯窥探量子非定域性的窗口。

带我转了一圈后，加尔韦斯准备采集一些数据了。为了检验一下是否一切工作正常，他先将波片设置成生成非纠缠光子，以模拟投掷普通硬币。仪器盘读数显示约每秒25对符合。为了比较说明，如果每一对的两个光子都成功地穿过滤光镜，每秒的符合数就将是100对，所以符合率大约是最大可能值的1/4。从概率论角度看，这是对的。如果投掷两枚硬币，每一个正面朝上的概率是1/2，所以两枚硬币同时正面朝上的概率是 1/4，如表1-1所示。

注：在正常情况下投掷两枚硬币，平均只有1/2机会同时正面朝上或反面朝上。但如果你准备的是一对纠缠着的量子硬币，那么它们总是同时正面朝上或反面朝上。

现在加尔韦斯调整波片让它生成纠缠的光子，于是符合数跳到了每秒50对。在地下室的实验室里，电子读数从25上升到50，看起来不算很多，但那是你自己的事。要想通过表面现象窥视这个世界底层发生的事，在证据非常微弱不易察觉的情况下，是要付出很大努力的，但这丝毫不会影响它的戏剧性效果。为了这一时刻，这么多年的等待和准备都值得，因为我看见了50对。当我意识到自己看到的是什么的时候，我颤抖了一下。光子表现得像一对魔术硬币。加尔韦斯投掷了上千次硬币，每次这一对硬币总是同时正面朝上或反面朝上。这种事单凭运气是不可能的。

如果我的朋友在聚会上表演这个魔术——投掷一对硬币，使得它们同时正面朝上的概率比正常情况高出1倍，我会猜那是恶作剧。我的朋友很可能去过魔术商店，买了两面都是正面的硬币，这样实验结果是事先确定的。是不是加尔韦斯的实验结果也有类似的特技？为了进行检验，加尔韦斯采用了爱尔兰粒子物理学家约翰·斯图尔特·贝尔于20世纪60年代提出的策略。他将其中一个滤光镜翻转90°，像投掷硬币用左手而不是用右手，这样做并不会改变粒子穿过滤光镜的概率。如果结果真是事先确定的，那什么都不会影响。但这一看起来无害的变化的确对光子产生了效应。符合计数器的读数顿时降到几乎为零，意思是如果一个光子穿过去了，另一个就肯定过不去。换言之，一对魔术硬币从总是同一面朝上变到总是另一面朝上。这个搞恶作剧的人需要特殊的诡计。这样把实验进一步细化，加尔韦斯排除了阴谋诡计的猜想。

我又仔细查看了一遍光学平台，那些滤光片相隔手掌那么厚的距离。塞林格和其同事的实验曾把距离拉长到160千米，量子技术中心的研究人员正在研究基于空间的量子技术版本，准备把距离拉得更远。一个微小的粒子也可能出现在宇宙的另一个角落。光子跨越那个巨大的鸿沟协调它们之间的行为，它们没有互相接触，而且也没有已知的力连接它们，然而它们步调一致，就像一个人一样。当加尔韦斯旋转光具座左边的偏光镜滤光片，一个光子穿过去时，光子将向滤光镜的方向极化。和它纠缠的那个光子步调一致，紧随其后：它必须和它的伙伴采用同一个极化方向，同时还必须对自己这边的滤光片做出反应。这样，左边发生的事影响右边的事，尽管没有时间跨越空间施加影响。的确如此，这种影响力可能一下子就传到右边来——以无限快的速度，明显比光速快，明目张胆地挑衅相对论。这是非定域性的众多神秘之处之一。物理学家们评论说，从来没有见过这么逼真的魔术了。“学生们喜欢这个。”加尔韦斯说，“好学生会说‘让我自己想想这是怎么回事’。”

闭嘴，好好算！

非定域性现象是不是怪诞的狂欢节演出？欢呼热闹一阵就过去了，没有更广泛深远的意义？抑或它在物理学舞台上占据中心位置？在20世纪的绝大部分时间，物理学家把非定域性看作荒诞剧，我在学生时代也采取这种态度。直到几年以后，我仔细研究了莫德林的著作《量子非定域性和相对论》，才开始欣赏这一神秘现象的深层涵义。

莫德林坐在他的中岛乔治设计风格的客厅里告诉我，他永远不会忘记听说量子非定域性的那一刻。那是1979年秋天的一天，莫德林是耶鲁大学物理专业的学生，他翻开最新一期的《科学美国人》杂志。封面故事是屎壳郎，莫德林很快翻过去，目光直接落到一篇早期纠缠实验的文章上。粒子魔术一般的行为让莫德林目瞪口呆。他说：“我记得读了那篇文章后，我的室友也记得那一天，我在宿舍里走来走去，走了好多圈。这个世界不再像我以前以为的那样了，让人烦恼至极、惶恐不安。”

而且，他的物理教授也让他很烦恼。和我的物理教授一样，他的物理教授对这一现象只字不提。当莫德林向他们探讨这一问题时，他们总是不按约定时间来。莫德林回忆道，一次上课时他举手问，量子理论会不会让位于一个更深的理论，这个更深的理论能够解释这些看起来自相矛盾的现象实际上是完全可以理解的。那个教授连理也不理他，回过头去继续在黑板上写他的希腊字母。“他根本不作任何解释，”莫德林说，“因此，他以拒绝回答的方式完全关闭了问题的大门。”

为了让你体会到莫德林和我遇到的不明白之处，你必须回到爱因斯坦和另一位量子力学奠基人、丹麦物理学家尼尔斯·玻尔在20世纪二三十年代著名的争论上。爱因斯坦担心非定域性会和他的相对论发生矛盾，于是就争辩说，非定域性一定是某种幻觉，反映出我们对自然某些重要的侧面的无知。玻尔反驳说：“……嗯。”其实谁也不明白玻尔说的是什么。他的论辩只是重新解释了一下什么叫“纠缠”。他的长篇大论有时被解释为拥护非定域性，有时被解释为与非定域性竞争。但只有这一点所有人都明白，他其实在声称，现象怪异背后到底是怎么回事其实不重要，只要理论能对实验结果做出预言就行。

任何看过美国总统竞选辩论的人都知道，判断谁输谁赢其实经常不决定于参选人实际上说了什么。大部分物理学家希望玻尔-爱因斯坦之争告一段落，这样他们可以将量子力学应用到解决实际问题中去。仅仅因为玻尔说量子力学是完备的，他们就集结在玻尔周围，而摒弃爱因斯坦，说他过时了。一位物理学家曾写道：“如果爱因斯坦当时拿着鱼竿去钓鱼（不跟玻尔争辩），那么他的名望即使不会提升，最起码不会降低。”

在后来的几十年里，物理学家用量子理论进行了各种有用的计算。他们琢磨出晶体管、激光器和其他现代世界的支柱产品。于是，他们集体做出的决议似乎被证明是正确的，即暂时将量子理论更深意义问题的争议搁置一边。每当有人提出概念性的质疑时，物理学家就说这是“哲学问题”，意思是不欢迎这样的问题，说这种问题根本不应该提。英国物理学家保罗·狄拉克写道：“只有哲学家想要对自然的一个完全令人满意的描述，哲学家真烦人。”

莫德林的确曾经令别人烦恼过，所以他决定在研究生期间读哲学，而不是物理学。“我想对一切刨根究底，”莫德林说，“做哲学家才能这样。”哲学家和物理学家的区别不仅在于兴趣点不同，而且在于方法上的不同，哲学家培养逻辑思维，而不是数学或实验。莫德林在哲学家中赢得了声誉，被称为扳倒博士（Dr.Takedown），意思是他对几乎所有论证都能找到漏洞。莫德林说，在他做研究生期间和做教授的最初几年里，非定域性总是在脑海里嗡嗡作响，但他认识的人好像没一个对此感兴趣，而且哲学家似乎跟物理学家一样，被定域性的魔法控制住了。另外还有其他事情让莫德林不能对非定域性想得太多，直到1990年秋天约翰·斯图尔特·贝尔逝世。

贝尔把爱因斯坦和玻尔争论之门重新打开，在这一点上他比其他任何人做的工作都多。他在20世纪50年代初上大学时就开始怀疑玻尔的胜利，但后来意识到当时如果表示疑虑，于他自己的事业不利。到了60年代中叶，他因研究基本粒子和设计粒子加速器开始小有名气，包括领先研究大型强子对撞机。贝尔感觉足够安全了，可以回过头来重新想想他年轻时关心的问题了。他证明非定域性无需争辩了，任何人都可以在实验室里玩出非定域性。正如爱因斯坦一样，贝尔费了好大劲儿想让他的同事相信这一点。他的第一篇关于非定域性的论文发表后4年没有得到一次引用，而且1985年以前的教科书也只字不提。贝尓的工作即使得到了关注，也往往被误解。一则讣告称他为“那个证明爱因斯坦错误的人”。这完全失去了要点，贝尔的本意是“非定域性”已经超越了旧日的争议。他说：“爱因斯坦也许错了，因为他认为非定域性也许最终被证明只是表面看起来如此，但玻尔完全无视非定域性也是错的。”

也像爱因斯坦一样，贝尔对非定域性不遵从相对论原理感到沮丧。物理学家是不会放弃量子理论的，因为它经受住了所有实验的检验。说相对论是错误的同样不可思议。在1984年的一次演讲中，贝尔说：“我们遇到了深层次的明显的不相容，现代理论的两大基本支柱理论的不相容性。”即使那些同情贝尔的人也没有看见这一不相容性。在创建相对论时，爱因斯坦想到过我们怎样收集信息，例如光或声音这样的信号一定经过了一些物体才抵达我们的感觉器官。如果这些信号瞬间就传达到我们的感官，那可能就有冲突，随之而来产生悖论（佯谬），事情同时既发生了又没有发生，宇宙这个大机器突然不工作了。然而量子魔币安然无恙，不会构成风险，它们内在不能发出信号。它有时正面朝上，有时反面朝上，你不能命令它。你没有办法控制它让它传递消息或做任何其他事情。所以，你也不可能利用它制造悖论。危险避免了。

换句话说，如果量子纠缠是魔术，那并不像魔术师甩一甩魔棒就神奇般地让它发生了。而量子纠缠这个魔术是自发的，而且只有你小心翼翼地仔细看才能注意到。这种魔术非常脆弱，容易搞砸。表演这种魔术是不会让你赢得魔杯大奖的。绝大多数人因此得到些许安慰：量子力学和相对论可以“和平共处”。

为了纪念贝尔，罗格斯大学的几位哲学家就量子物理组织了一个座谈会，请莫德林讲话。他从自己的学生时代讲起，围绕着关于爱因斯坦和贝尔发现的传统说法进行反驳。在莫德林看来，通常认为理论上的和谐有点儿太和谐了。他说：“仅仅指出不可能发送信号，在我看来并不足以保证（量子力学）和相对论没有根本矛盾。”即使一对纠缠着的粒子并不传递信号，量子理论仍然在说，一个粒子的行为瞬间影响另一个粒子。因此，这个理论要求宇宙有一种主时钟，保证对一个粒子来说晚上7:30，对另一个粒子来说也是晚上7:30。而相对论否认这种事。之所以称之为“相对论”就是因为时间的流逝是相对的。两个事件对一个人来说同时发生，对另一个人来说则是相继发生的。

莫德林根据他的谈话出版了一本书，该书的出版刚好碰上量子纠缠兴趣高涨期。实验科学家意识到这个现象并不像以前认为的那样没有用，开始研究量子纠缠在密码学和计算机中的应用。例如，牛津大学物理学家阿特·埃克特（现在是量子技术中心主任）在1991年证明了纠缠的粒子可以创建一个隐蔽的通信频道，连最诡秘的政府监视系统都监听不到。一旦物理学家认定了纠缠的重要性，他们就开始看几乎到处都有纠缠，连每一个活的有机体里都有纠缠。在光合作用里，分子出奇高效地将光能转化成化学能，从而使地球上可能产生生命。现在认为这是量子纠缠的贡献。

到了千禧年转折时期，爱因斯坦的那篇关于这个问题的最早论文变成了物理学史上最广为引用的论文。与此同时，物理学家和哲学家之间的那堵墙轰然倒塌。作为实验物理学家先锋派，塞林格以前总是和莫德林意见相左，而现在他们开始交换意见。这在20年以前连想都不敢想。塞林格告诉我：“哲学家和物理学家的沟通是取得实质性进展的关键。”

量子非定域性显然不是拉斯维加斯的一场晚宴，而是真实世界的一个必不可缺的侧面，而且物理学家和哲学家至今仍不很清楚这背后是什么魔术。有没有这种可能：如果他们顺藤摸瓜寻找答案，其实那答案在其他科学领域？从世界上其他形式的非定域性中，他们能得到什么启示？

观天者与攀冰者

在20世纪的大部分时间里，唯一有人关注的非定域性现象是纠缠粒子的某种特定同步性，但后来物理学家逐渐意识到其他现象也很可疑，如同幽灵一般。研究黑洞的人认为在黑洞这类宇宙真空吸尘器里的一种非定域性（即物质可以从一个地方跳到另一个地方而无需跨越中间的距离）比爱因斯坦担心的情况更令人困惑。

黑洞长期以来被物理学家首选为宇宙间最古怪的事。拉梅什·纳拉扬曾看见过活动中的黑洞。正如加尔韦斯，纳拉扬说他很晚才发现自己对科学的激情，而且相当偶然。孩童时期，他对天文学没有一点儿兴趣。我遇见的大多数天体物理学家都回忆说他们自孩童时期起就着迷于黑洞了，但纳拉扬是少数几个例外之一，他着迷的是水晶。他的第一个工作是在印度南方著名的班加罗尔拉曼研究所搞研究，他发现自己混迹于一群探索宇宙奥秘的人之中。他很快被吸引住了，变成了宇宙气体流专家。这种流动的控制原理很简单：所有进去的势必出来。每当宇宙气体碰撞上恒星表面，恒星必然受热；恒星势必将能量返回太空，通常以红外辐射或可见光的形式进行。“所有进入的能量必须释放出来。”纳拉扬解释道，他现在是哈佛大学的教授。但20世纪90年代初期，天文学家注意到，在我们的银河系中心，这个规则有一个很奇特的例外。

银河系中心很容易寻找，你自己就可以找到。下次夜晚走到房外凝望夜空时，找一找人马座。在我的家乡，夏夜或早秋之夜最容易看见人马座，星空中它悬挂在南方的地平线之上。它看起来应该像射手，但大多数天文学家说他像一个巨大的茶壶，茶壶嘴就指向银河系的中心。由肉眼看来，银河系中心仅仅是天空中的一小块模糊区域，但20世纪40年代用望远镜观察时，发现那里是一大锅涡旋气体。在正中心处，气体向一块很小的区域汇集，称之为人马A*。这块区域黑暗得令人费解，流进去的气体带入的能量只有1%流出。“眼睁睁地看见能量进入银核中心后，‘噗’地一下，消失了。”纳拉扬说。

这就是黑洞的定义，意思是引力如此之大，以致进去的再也出不来了。艺术家有时把黑洞描绘成太空中巨大的坟墓，但从外表看起来它像一颗行星，一颗巨大的、疑似黑色的行星。可能有物质环绕它运动，而且通常有。但如果你试着用手指触摸一下你以为的行星表面，你的手指就会穿过去，这个物体是空的。这个表面又称“黑洞表面”或“事件视界”，其实是假想的临界表面，过了这个临界面，掉进去的气体或其他物质就回不来了，只有超过光速时才有可能返回。对于人马A*奇点，视界构成了一个直径为2500万千米的球面。想穿越它的物质不停地坠入其中，仿佛汽车闯入单行的死胡同，摇摇晃晃闯入某种未知命运，想必是厄运。“这就是黑洞的唯一特性。”纳拉扬说，“黑洞没有表面，这就是它与众不同之处，所有进去的气体和能量全都被吞掉了。”

那么，那些东西后来命运如何？这就是个谜。不幸的是，物理学的两大主要理论（引力理论和量子理论）关于物质被吞掉后的命运，得到了完全相反的结论。简而言之，引力理论说粒子掉到黑洞之后就再也不可逆转了，而量子理论说没有什么东西会不可逆转。前者说进去的东西再也出不来了，永远被黑洞吸了进去。后者说这些东西一定会出来，而且重新参与到宇宙的生命中去。这一矛盾警示，现代物理学里的某些关键原则一定是错的。

纳拉扬的观察不能搞清楚这个问题。解决关于黑洞的矛盾需要一个物理学的统一理论，一个将量子理论和引力理论融合起来的量子引力理论。许多一直在寻找这样的统一理论的人认为，定域性原则最可疑，最终将被证明。如果有物质可以超光速穿行，或从里向外拱出来，而无需穿越空间阻隔，那么它一定能从黑洞的阴森束缚下溜走。

这个想法的首要倡导者是史蒂夫·吉丁斯，加州大学圣塔芭芭拉分校的教授。他常穿着工装短裤和绒毛夹克，花格衬衫从不掖在裤子里，一点儿也不像教授，你可能误以为他是徒步登山指导。其实你猜得不错，他曾经同时出现在《科学美国人》和《登山》杂志上。吉丁斯在很多体育项目上都成绩斐然，如攀岩、攀冰、高山滑雪、越野滑雪、登山和皮划艇。科学和户外运动对他来说相得益彰。“我觉得科学和体育运动是我与自然亲密无间关系的两个侧面。”他说。少年时代外出野营时，他总是带着一本物理书。上大学后，他得到了国家自然科学基金的资助，研究引力，周末他就在偏远的地方滑雪。刚毕业的那个夏天，吉丁斯给自己建造了一艘皮划艇，乘它划过科罗拉多河，穿过大峡谷，然后搭车去了丹那利国家公园。那是他第一次去这个公园，他记得看见一大一小两只驯鹿跑过来，离自己很近。“然后，我回头一看，才知道它们为什么一点儿也不怕我。”他说，“这两只驯鹿刚刚逃离一只大灰熊的追赶。大灰熊看见我后决定放弃驯鹿，而来追赶我。”吉丁斯想起公园巡逻人员的叮嘱，他站稳脚跟，对着大灰熊大喊大叫，直到它拖着脚离开，去寻找更容易捕获的猎物。

后来，吉丁斯搬到了新泽西。新泽西有很多迷人的地方，只是没有高山和大峡谷。生活好像变了个样，白天、夜晚、平日、周末，他都围着考试连轴转。普林斯顿的物理研究生学习计划好像故意和他的皮划艇嗜好作对。“没有什么值得兴奋的事。”他说，“那里有一种让学生感到害怕的气氛。”吉丁斯想溜，但最终没动。1984年，他刚刚考完试，理论物理学界突然兴奋起来。全世界的物理学家突然丢掉手头的工作，研究起了弦论。这是一个新理论，旨在提出一个关于自然的统一理论。

弦论得名于一个猜想，有人猜想亚原子粒子其实是一些微小的橡皮筋或吉他琴弦。我们看到的不同类型的粒子，其实只是这些弦以不同方式振动，使得世界好像一支复杂得难以想象的交响乐。20世纪60年代后期弦论曾一度因晦涩难懂而萎靡，后来弦论的几个推动者设法让大多数人相信其内在一致性，从而引爆了大家的兴趣。“我应该干这个，就这样我被这股大浪推了上去。”吉丁斯回忆道。弦论的领军人物爱德华·威滕让他解一个关键方程式。他挣扎了几个月，试了好几种数学技巧，终于解出来了。与此同时，他结识了几个皮划艇同伴，发现新泽西州还不赖，无愧于花园之州[4]的称号。“我开始意识到，也许就这样干下去挺好。”他说。

为了解决上面提到过的黑洞矛盾，需要寻找一个统一理论。1990年吉丁斯决定重新走一遍导致上述悖论的步骤，该步骤是由剑桥大学著名的理论物理学家史蒂芬·霍金于20世纪70年代中叶提出的。霍金的出发点是，衰败是自然法则。这个世界几乎所有的东西最终都会衰败。要想让黑洞创造出来，黑洞不应该也不可能幸免于衰败。衰败是创造的逆过程。“如果你能从一堆杂乱无章的废墟瓦砾中创造出黑洞来，那你就能让黑洞衰败成一堆杂乱无章的废墟瓦砾。”吉丁斯说。

根据霍金的分析，衰败并不意味着黑洞内部的东西渗出来。内部的东西怎么可能渗出来？内部的东西本来应该快于光速渗出来才能逃逸到黑洞表面。反之，黑洞是从外向内衰败的。黑洞表面向外抛出电场、磁场和其他力场，使其失去平衡，导致其往外抛出粒子像脱落生锈的碎片一样。一个质量与我们的太阳一样的黑洞大概每秒钟抛出去一个粒子，这太微弱了，像纳拉扬这样的科学家用仪器是很难探测出来的，但过了几万亿年之后这足够使黑洞还原成一团混乱的、无形的粒子雾。一切都丢失了，掉进黑洞的物质结构、物体本来含有的信息、一切识别它的蛛丝马迹全都丢掉了。换句话说，不可逆转的意思不仅仅是掉进去的东西再也不能出来。那倒没什么关系，因为从上帝的角度，你可以往黑洞里细看，重构出那些东西进去时的结构。但黑洞是在这个意义下不可逆的，即它抹掉一切物质结构是如此彻底、如此无情，以致连上帝也不可能恢复其本来面目。

霍金的计算很难，正如他自己指出的：他可以算出黑洞如何影响向外逃出的粒子，但算不出向外逃出的粒子如何影响黑洞——而可以想像，这种交互式的效应可能在黑洞内部和外部之间开一个后门，允许掉进去的物质重新跑出来。如果是这样，掉进黑洞的过程就是可逆的，那悖论就消失了。于是，吉丁斯和几个同事做了一个新的分析，基于弦论，试图寻找霍金计算中可能忽略的逃逸通道和藏匿之处。他们什么也没找到，霍金是对的。“在这些简单数学模型中，你真的只是证明了霍金原来的想法是对的。”吉丁斯说。

看来，走出悖论没有捷径，更别说走出黑洞。论证中一定有些预设是错的，其实只有两个预设：可逆性和定域性。一开始，霍金以为是前者，他暗示说量子理论是错的，坠入黑洞是不可逆的。然而量子力学是一个整体，要么全盘接受，要么全盘否认（如果某处不成立，那么所有其他地方都不成立）。如果像霍金设想的可逆性不成立，那么量子力学的其他场景应该发现类似问题，可事实上，我们没发现。霍金最后承认，黑洞应该是可逆的。那一定是定域性出了问题。“我一直在问自己这个问题：信息到底是怎么出来的——看起来不得不是非定域的。”吉丁斯说。

其他还有一些人几乎得到了同样的结论，但一般态度很暧昧。黑洞里的非定域性比粒子实验里的非定域性更难以理解。尽管量子纠缠现象有点儿微妙，不敢公然与其他物理定律作对，但以快于光速的运动穿过黑洞表面却不那么微妙。它公然蔑视爱因斯坦的速度限制，就好像在高速公路上开车，公然以每小时150千米的速度超过州警车一样[5]。因为听说吉丁斯正在考虑非定域性，有同事拦住他与他争辩，以致他想走到大厅的另一边取一杯咖啡都不成。最终，他放弃了这个想法，长达近10年。“感觉是疯了，”他说，“我没有继续向这个方向努力。我太早向怀疑者屈服。”但他其实只是略微有点超前于时代而已。

玩水泥的人和雕塑家的女儿

想一想竟然可能有第二种非定域类型，这可是不得了的事。那说明，爱因斯坦指明的现象只是一个更大的马赛克拼图中的一个小碎片。那并不证明非定域性真的正在运转或这两个非定域类型之间有关联，而只是心理感觉上这很重要。在科学上，一般像生命中一样，引人注意的通常是后者而不是前者。如果再加上第三个非定域类型，那就开始形成潮流了。

我要说的下一个非定域类型不像量子纠缠或黑洞那样久经考验。但如果是真的，那也非常有戏剧性。那是观察的结果，看起来那么显然，你可能都未意识到那是观察。如果你在夜晚走出去看夜空，你的观察是——很黑。夜晚黑暗看起来没什么启示，然而这却是大爆炸理论的基础之一，因为那意味着宇宙在年龄或大小方面都是有限的。如果宇宙的年龄或大小是无限的，那么沿每一个方向，我们都能永远看下去，我们的视线早晚会被一颗星星拦截。星星的光会形成一堵没有空隙的墙。就好像住在森林里，森林无限大无限老，深不见底，无论你朝哪个方向望去，你一定能看见一棵树。下次你在夜晚出去看星星时，把星星想象成树，黑的地方是空隙。星空这片森林要么太小以致你能看穿它，要么太年轻以致来不及把空间填满。

星空不仅非常黑暗，而且看起来到处都差不多。1996年我参加了一场会议，会上天文学家们展开了一幅星空宣传画，异常壮观地展示出星空的这种均匀性。我从来没见到过这么壮观的星空。他们将哈勃望远镜对准北斗星附近的黑暗区域，将目光锁定在那个方向10天，收集所有的光，目的是拍到有史以来最难以捕捉的星空影像——哈勃深空。3年后，他们又将哈勃望远镜对准与北斗星正相反的方向——南半球做了同样的事。这些影像不再像哈勃望远镜收集到的某些油彩画，它们的美有点儿低调。这些影像显示出我们目力所及最远的物体微弱得望远镜每分钟只能收集到一个光子。影像中数以千计的小红点就是整个星系，包括最早形成的一些星系。北边的影像和南边的影像在统计意义上看起来完全一样，这提出了一个悖论。这个悖论是马里兰大学的查尔斯·米斯纳教授于1969年首先意识到的。

米斯纳是与霍金同时代的人，另一位20世纪六七十年代推动黑洞和宇宙未知领域研究发生根本变化的物理学家。正如大多数物理系学生一样，我首先知道他的名字源于“MTW”里的“M”，“MTW”是物理学引力理论教材《引力论》[6]的3个作者姓名英文的通用缩写。《引力论》这本教材中有漂亮的小插图和阵阵的沉思，是少有的几本读起来有意思的科学教程之一。米斯纳小时候的兴趣不是物理，而是化学，像加尔韦斯一样。他记得小时候做化学实验时把衣服烧了个洞，被妈妈所埋怨。他的反应是：再做一个实验，把酸洒在不同的织物上，看看反应有什么不同。他的妈妈可能并不高兴，但他家的一个朋友听说此事后，让他想个办法让水泥养护更有效一点儿。他开发出了一种减缓水分蒸发速度的密封材料。

米斯纳刚进大学时学化学专业，但大学里的化学一下把他对化学的所有兴趣都赶跑了。“实验室糟糕透了。”他回忆道，“你必须一板一眼、循规蹈矩地完全按照‘烹饪书’的指示做。”于是他在普林斯顿大学转向学习物理，继续读物理专业研究生。刚好那时传奇的物理学教授约翰·惠勒（就是“MTW”里的“W”）正在开始对引力研究煽风点火，令其起死回生。当时尽管物理学家们宣称对爱因斯坦的万有引力理论无限崇敬，但没几个人真正去研究它，他们觉得真正起作用的是量子物理。惠勒认为引力是自然界中最具创造性的力。引力电磁体（Geon[7]）、时空泡沫、虫洞、黑洞，你不需要搞清楚这些词的意思，也能理解惠勒说的绝对不仅仅是“苹果掉下来砸到人的头顶”的那个力。“他有一种几何和物理直觉，令人兴奋地感觉到在那组方程中一定蕴含了很多东西，远远超过我们的想象。”米斯纳评论惠勒道，“而且，他是对的。”

夜空的均匀性一直没让人们觉得神秘，直到20世纪60年代两个突破性的观测出现。首先，天文学家发现了类星体（一些小光点）初看起来像恒星，但有颜色，而真正的恒星不会有颜色。他们突然意识到类星体之所以看起来那么生动是因为原来宇宙正在膨胀，将光波像 Spandex 衬衫上的商标一样拉长，使蓝色变成红色。类星体的光那么红，它们一定传播了数十亿年才抵达我们这里，因此，当我们看到它们时，一定是人们所看到的最古老的东西了。1966年，米斯纳得到一笔剑桥奖学金，在剑桥大学做了一年的访问学者。他记得看见在一个球形物体上天文学家绘制了类星体的位置，并且注意到球的一边比另一边有更多的粉笔印记，好像古代宇宙是向一边倾斜的。后来发现倾斜只是偶然的巧合，但却让米斯纳开始思考星空为什么应该是或不应该是各向同性的？第二个发现——发现宇宙微波背景辐射——迫使这个问题浮出水面。

射电天文学家首先注意到这种辐射的存在，他们的耳机里总是响着微弱但持续不断的嘶嘶声。他们将天线上的鸽子粪便刮干净后，耳机里还是有嘶嘶声。只要将天线指向天空，就能听见嘶嘶声，它们布满天空，没有间隔。研究人员很快意识到嘶嘶声是光的一种形式，当光从蓝到红，到红外，到光谱的微波部分铺展开来，实际上历经了一个比类星体更具戏剧性的彻底转变过程，展示出了更古老（现在估计为138亿年前）的发光体。宇宙微波背景辐射提供了当时的宇宙（即138亿年前的宇宙）的一个快照，看起来就像是暴风雪里的白牛，一杯几乎看不出任何特征的、原始的纯氢气羹汤。那时氢气甚至比后来的星系和类星体铺开得更均匀。

两个人穿完全同样的衣服，那一定有一个缘由。如果两个朋友来访时刚好穿着完全一样的外套，你可能以为这纯属巧合，但如果你发现很多穿着一样的人，那么你就会猜想这里面一定有关联：或许有着装规定，或许有一个群发的电子邮件做了提示，或许本地商店有个促销活动。人的衣着搭配方式很多，刚好随机挑选中同样的衣服，实在令人难以置信。同样，宇宙初期的物质可能有很多种安排方式，但各处的密度和温度完全相同，那简直不可能，令人难以置信。然而，事实的确如此。

怎么可能解释这种各向同性呢？如果有引力的话，其作用是把物质聚拢在一起，使其更不均一。宇宙学家猜测过其他过程，但他们遇到了非常基本的难题。天空中遥遥相对的两个星系（也就是宇宙最初的两团原始气体）处于视野所及的最外围，相距太远，任何太空的内部过程都不可能将它们拉开。毕竟处于我们视野最外围的意思是：来自外围星系的光历经非常漫长的几十亿年才能抵达我们，它还来不及跨越其他星系。

宇宙学家为此用地球水平线进行模拟，如图1-2所示。我们的地球表面是弯曲的，如果站在大海中央的救生艇上，你能看见5千米以外的东西。如果两条船遥遥相对开过来，一个从北，一个从南，你首先看到的是桅杆的顶端，然后看到船体慢慢从海平面上升起。从船上看，水手先看到你的头顶，然后你的全身逐渐出现在他的视野范围内。但在水手看到你出现在地平线上的最初一刹那，还看不见另一条船。我们就好像失事船只上的人被困在救生艇上，两个遥遥相对的两个星系正如这两条船上的水手。我们现在看见两个星系，但它们彼此没有遇见，更不用说有机会进行能量和物质交换了，从而将它俩均一化。因此，背景辐射应该是织物的边角余料而不是弥漫的辉光。“很难解释为什么天空不是斑斑点点的……”米斯纳说，“观测结果显示事物完美地协调在一起，虽然事实上彼此没有可能交流过。”

这种情形似曾相识，本书前文曾经介绍过这种情形。宇宙中遥遥相对的两个星系如此协调一致，明显违背光速的限制条件。这看上去跟加尔韦斯实验室里发生的事同样鬼魅，除了当时我们说的是小小的粒子，而现在说的是整个星系。1970年，苏联理论物理学家雅可夫·泽尔多维奇大胆尝试提出用量子非定域性的一种类型也许能够解释宇宙的均一性。但一般的宇宙学家不愿意走那么远，大多数人认为这个谜说明爱因斯坦的引力理论失效了，答案也许非得等待物理学大统一理论的出现。正如米斯纳所说：“没人认为在这种极端情况下爱因斯坦方程组仍然成立。”

在大海上，我们能看见遥遥相对的两条船，尽管它们彼此看不到对方（上图）。类似地，我们能看到宇宙边缘的两个星系，尽管它们彼此看不见对方（下图）。如果这两个星系从来没有接触过，为什么它们会那么相似？

20世纪70年代后期，苏联和美国的物理学家想出了一个解决视界问题[8]的方案，无需放弃定域性原则，也无需放弃爱因斯坦的理论。想法是星空中遥遥相对的两个星系（或其实是它们的祖先）实际上曾经是相邻的，后来宇宙早年经历过一段“窜个儿”时期，两个星系被拉得越来越远。如果是这样，那么某些过程可能导致它们均匀。正如一对双胞胎，刚出生就将他们分开，分别抚养大，他们不知道自己有过一个胞兄或胞弟。这些星系在孕育时曾经彼此相依，但后来独立长大，而且只到现在才逐渐重新团聚。

这个解释如果可行，在窜个儿期，这两个星系一定被以快于光速的速度迅速扯开，以致到现在二者也没有联系上。一般“快于光速”这个词让物理学家感到非常不快，就像听见在黑板上刮指甲[9]的声音一样。但宇宙的生长绕过了旅行的速度限制，因为根本就没有发生过“旅行”，而是在星系之间长出了一个新的空间，正如动物或植物长大是因为长出了很多新细胞。因为星系事实上并没有在空中运动，所以速度限制与它们无关。“如果你观察两个星系，发现它们是静止的，但它们之间的距离却在不断变化。”米斯纳解释道，“如果你把这个认为是相对速度，那么在宇宙早期，两块物质的相对速度就会非常快，远远超越光速，这样它们才可能彼此永不相见。”类似这种通过生长而不是旅行来突破光速局限的情形还有一些。比如，想象一下你在一个大舞会上，舞者逐渐组成一条康加线（conga line）[10]。如果每秒钟有几十个人加入康加线，那么康加线两端有可能以88千米/小时或更快的相对速度离去，尽管没有人能真的跑那么快。

即使宇宙以正常速度生长，星系之间的相对距离也可能以超光速增加。但在那种情形下，当生长率随时间放慢后，星系最终仍会相遇。因此，宇宙必须有一段时期突然长大，才能保证星系同时诞生，而且不再相遇。

这个概念在术语里被称为暴胀，大多数宇宙学家认为这个概念如此优雅、如此诱人，以致谈起来好像早为人所接受的事实。2014年一个观察团队宣称他们在微波辐射中发现了暴胀的秘密图案——驱动暴胀的机制产生的涟漪。评论家们小心翼翼地用标准语言提出怀疑（用“if true”这样的词汇），但明显认为结果是真实的，因为他们早就在期待了。但几个月后，这个发现又破灭了，对这个理论的怀疑又点燃了，甚至提出暴胀理论的几个鼻祖都对此表示怀疑。主要的担心是暴胀理论预先假定了一个条件，而这个条件恰恰是它想生成的结果：要想使宇宙开始暴胀，那么在暴胀之前它一定已经超自然地均匀了。于是有些物理学家正在探索暴胀理论之外的其他解释，包括不仅仅看起来的非定域性，而且是真正的非定域性。

弗蒂尼·马可波罗[11]是对“暴胀”理论持怀疑态度的人士之一。我第一次遇见她是在一次惠勒纪念会上，她在物理学家新秀竞赛中第一个发言。她有个想法让我很震撼，她认为物理学理论应该考虑到我们人类是宇宙的一部分，而不是局外人。她告诉我：“有一件事真的让我感到很有趣：你身处在宇宙内部，你想理解宇宙，并且你认为你能够理解宇宙。这里有个互动：你身处在所要研究的系统内部，而你还能假装你不在系统内部，科学就是这么个东西。”所有科学领域都能感受到这种外部和内部视角之间的分歧，但在宇宙学领域这个现象更严重，因为宇宙学研究的系统（整个宇宙）根本没有外部可言。

马可波罗说她从小就被这个大画面吸引住了。“小时候，我就喜欢一个人走进空无一人的教堂，坐下来，仰头看着天花板。”她回忆道，“希腊东正教教堂一般都有像天文馆一样的穹顶，穹顶上画着宇宙图像。那有一种不知为什么总是让我心驰神往的感觉。想一想有个人试图看到他置身于其中的那个东西的整个画面，是不是很神奇？”童年的好奇应该自然地有一条捷径通向她的物理学生涯，对吧？但马可波罗抗拒这么简单的故事。她还喜欢艺术，她的父母都是雕塑家，她还喜欢考古学和建筑学。在大学的申请表上，她不知道要填写什么专业。她的高中校长建议她填写理论物理专业，于是她写下理论物理。在大学期间，一个朋友异常兴奋和崇敬地谈论起量子力学系列讲座，上课地点刚好在她回家的途中，于是她就进去听。“在那之前我还没有读过一本爱因斯坦的书，也还没有决定沿着爱因斯坦走的路继续走下去。”她说，“就这样，生命走过好几个岔路口，最终我决定理论物理是最有意思的选择。”

同样，她走到最终的主攻方向也有些迟：将量子理论和引力理论合而为一，研究出一个量子引力理论[12]。在本科和研究生一年级期间，她研究粒子物理学，然而她对自己的课程并不满意。“很滑稽，当你接受教育想成为一名物理学家时，你并不是真的在按照基本的方式学习量子理论。”她回忆道。她的同学和教授放弃了统一理论的想法，认为这是白日做梦。起初她也这么觉得，可是过了一段时间，她开始思考，也许就这么做梦也挺好。尽管宇宙神秘的答案也许连物理学家都很难理解，但至少量子引力研究人员在试图理解。“当你问‘为什么会是这样’这样有趣的问题时……总是看起来你本不应该问。”她说，“致力于这个有趣问题的是量子引力科学家。”最终诱惑越来越大，难以抵御。当吉丁斯寻求通过弦论统一物理学的时候，马可波罗最终加入了另一群物理学家的行列，走向一条试图调和引力和量子理论的道路。和弦论学家不同，这群物理学家不是致力于严格统一物理学的所有方面，因为现在发现的粒子和力的种类实在太多了，而是集中精力于万有引力。

马可波罗因以下这项研究而出名：关于现已提出的各种量子引力理论是否遵从定域性原则，研究结果显示大多数不遵从。常规看法认为这一不正常应该被局限在很小的尺度，比原子更小的尺度，但马可波罗表示怀疑，这么深刻的东西怎么可能被局限得那么小。“我有一种直觉，从一开始研究量子引力就有，也许量子引力的影响面真的很广，因为它想改变的是那么基本层面的事。”她说。马可波罗怀疑相距很远的星系的同步性可能就是量子引力影响的结果。宇宙的统一性可能就是第三种类型的非定域在起作用。已经有些弦论学家正在沿着这条思路思考。“宇宙视界问题就是非定域性与我们的正面交锋。”马可波罗说。

地下室里的粒子

在我之前讲的非定域性例子里，空间的最基本功能，即把东西分开的功能正在开始失效。纠缠的粒子相距甚远，却步调一致，无需通过空间传递信号。物质掉进黑洞，又设法从空间的深渊里爬出来。遥遥相对的两个星系看起来完全一样，没有桥梁架起空间的深谷。这些现象至少表面看起来是非定域的，但第四个也是最后一个例子将扭转局面。我考虑一个现象，它给你定域性的表象，但也许最终证明是非定域性的。

物理学家通常认为世界是由粒子组成的：电子、质子以及所有其他亚原子粒子。粒子恰恰就是定域性的体现[13]。这些物质颗粒存在于某个地方。它们只有相互碰撞或发送一个中介粒子穿梭其中，才发生相互作用。量子纠缠可能让粒子以某种非定域方式协调起来，但定域性这个基本观念保持不变。然而这说明整个定域粒子概念很别扭，甚至自相矛盾。

为了避免你把粒子想成遥远的抽象概念，其实你能亲眼看见粒子，超级容易。一天晚上，我走到地下室里，带着一个晚会上用的那种透明塑料杯、烘焙蛋糕用的锡纸杯、一瓶外用酒精，还有一个小气囊——那种用来把计算机键盘上的饼干渣子吹掉的小气囊。加尔韦斯演示的纠缠实验如此简单，这让我灵机一动，也许因为看了太多电视剧《百战天龙马盖先》而受到启发，我决定用这些家中常见的瓶瓶罐罐做一个粒子探测器，一个灰尘喷雾罐，喷一两秒钟，喷出的气流会非常冷，冷得足以使倒扣着的杯子里的酒精蒸气沿着充电粒子的路径凝结，就像飞机尾部拖出的白烟一样。

好几个星期，我都在捣鼓这个笨拙的玩意儿，试了好几个设计都没有成功，最终把几个想法结合起来开发出了一套设备，简单得不能再简单了。科学就是这样：好几个小时的挫败，中间伴着短暂的狂喜。小装置最后做好时，我注视着这些在房间里飞来飞去的又短又细的白色条纹，它们暴露了不守规矩的亚原子粒子的行踪。偶尔，我看见它们的轨迹突然转向，也许表示有两个粒子碰撞上了。我妻子只是很庆幸我没有把洗衣机拆开。

我发明的透明塑料杯粒子实验装置是巨大的大型强子对撞机（LHC）[14]上的粒子探测仪的微缩版本。2007年夏天，LHC的建设接近尾声时，我去访问过这个对撞机。我乘电梯向下走了40层，来到了一个很大的地下室，像大教堂一样大，里面全是仪器设备。让我吃惊的不是仪器设备的大小，而是多得吓人的数据线。2900千米长的数据线像一条大河的百万条支流在这个“地下教堂”中流淌。正中央是一个金属管，其大小仅够插进去几个手指头。当对撞机工作时，一束束质子流从这个金属管中万马奔腾般地涌出来。有些质子流发生撞击，地下室中到处喷洒着碎片，一片狼藉。

从20世纪40年代起，物理学家开始用一套称为费曼图的简笔图体系来形象直观地表示粒子碰撞。费曼图的名称取自它的发明人、诺贝尔奖获得者理查德·费曼。他的计算技术极其强大、精确，但难度也相当大，难得近乎残酷。费曼图看起来简单，但就像一个数学战壕里故作勇敢的表情 [15]。伯尔尼是加州大学洛杉矶分校物理学教授、费曼图计算专家，他在做研究生时一下被费曼的技巧迷住了，但很快想起了现实的残酷。“我对第一次做粒子物理课作业的情形记得很清楚，”他说，“人竟然可以做这些费曼计算而不犯任何错误，我觉得太了不起了。按照那些喜欢计算的人的标准来说，这并不是特别复杂，但做了20页的代数计算之后还是不犯任何错误，这让我觉得很神秘。”

这种计算令人痛苦有以下两个原因。第一，粒子碰撞有很多可能的潜在结果。例如，当两个胶子（高速穿过LHC的质子的构件）碰撞时，从两个到无限多个胶子都有可能被撞击出来。第二，这些潜在的结果可以通过各种可能的中间过程实现，可能性多得不可胜数。举个例子，两个胶子碰撞可以生成4个胶子，产生方式有220种之多，这还不算过程中可能走的弯路。方程组里含有几万个代数项。这还算容易的，可怜的是有些人要考虑生成8个胶子的情况，他们必须考虑1000万种可能的中间步骤，即使计算机都很快达到了计算极限。

学粒子物理的人从没有指望粒子物理容易理解。正相反，很多学生恰恰是被这一点吸引来的。经过那么费劲的计算，你指望发现一些有价值的东西，值得花费那么多努力，但你没有。那几万个代数项最终被简约成4个，其他项都彼此抵销了。比如第2718个代数项，经仔细查看，发现它和第3142项完全一样，只不过后者有一个减号，于是这两项被一起划掉。不幸的是，你不能事先预言哪两个项会被同时删掉，而需要把所有代数项都写出来。这个过程感觉特别浪费时间，跟小学生被罚在课后留下来将一个简单句子抄写一百遍那种感觉差不多。计算出奇地难，而答案出奇地简单，两者相对照似乎提示物理学好像缺了点什么，就好像一个警官搜捕嫌犯，他搜遍了所有嫌疑人，却唯独忽略了那个站在那里手里有枪的家伙。

伯尔尼的同学们把这从“地狱”里带来的作业做完就忘在脑后，但伯尔尼从来没有。他猜想一定有更好的方法，于是他忘我地去寻找。对事业来说，这可不是聪明的选择。大多数物理学家把这些计算看成帮工的活儿，有用但缺乏想象力。潜在的雇主不来听他的讲座；一个期刊曾拒绝发表他的第一篇这方面的论文，说“没有什么意思”。有一次他在普林斯顿大学的一次演讲上遇见了威滕教授，威滕教授起身走上来赞扬了他一番，至此情况才有些突破。威滕教授就是那个把差点儿放弃物理学的吉丁斯拉回来的著名弦论学家。有了威滕教授的美言，伯尔尼总算找到了一份工作。伯尔尼说经历使自己幡然醒悟年轻时对科学的浪漫想法是多么幼稚可笑。“科学并不是我以为的那个样子。”他说，“我对科学的顿悟箴言是，你一定得是有福之人。”

经过伯尔尼及其同事的努力，物理学家现在不需要写下上万个代数项，就能直接得到最后的那个只剩4个项的代数表达式。但原来那个老的解题技巧到底是怎么回事？为什么会被误导？为什么新的解题技巧用起来那么顺手？另一个理论物理学家、普林斯顿高等研究院的尼玛·阿卡尼-哈米德认为应该归咎于非定域性。理论物理学家大都有鲜明的个性，但阿卡尼-哈米德本人就是自然之力。1972年他生于休斯顿。几年之后，他的父亲、著名的伊朗地球物理学家举家搬回德黑兰，去帮助重建自己的国家。

大多数物理学家会告诉你他们对某某发现感到“兴奋”，他们说的时候语气单调乏味，令你不禁怀疑：如果他们兴奋的时候是这个样儿，那么他们无聊的时候该是多么糟糕啊！但阿卡尼-哈米德则不然，他说起自己的发现时，总是用有感染力的语气说着最简单的事，让你感觉他好像刚刚打开了失踪的圣约柜[16]。一次，他向我展示如何将字符串“1，2，3”重写成“3，1，2”或“2，3，1”，以演示物理学在多大程度上能归结为认认真真地数数可能的安排。这真让我吃惊。我记得一次休息期间和他站在一起（无论何时只要他在场，咖啡消耗量就得加大），非正式讨论很快引起了激烈的争论。阿卡尼-哈米德提出自己对这个问题的回答，而其他人仍在惊叹这些问题：“我这么做过，我试过，可不成功，但，啊，等等，也许……如果我这样做……”

“我在一生中从未像现在这样对物理学感到如此兴奋。”我第一次问他新的计算方法时，他兴奋地说，“有一种感觉，正发生一件惊天动地的大事，最终将改变我们对时空和量子力学的看法……这件事正在以惊人的速度发展，一组大约15个人正在加班加点昼夜工作。”2013年，他们的工作达到了高潮，他们找到了一个全面替代费曼图的计算方法。

阿卡尼-哈米德认为费曼图的毛病是，它是用明确的定域性来表达的。它将粒子表示成位于空间和时间中某处和其他粒子相互作用。费曼图看起来特别像探测器里细细的粒子轨迹线，就是我做的那个透明塑料杯实验。的确，这就是为什么物理学家都趋之若鹜地使用费曼算法，但计算陷入泥沼又让费曼图计算受到坏评的原因。代数项的膨胀就是定域性在捣鬼。“如果你坚持认为理论是定域性的，”阿卡尼-哈米德说，“那你就必须忍受几万个代数项的折磨。”费曼图解法认为空间中的所有点都是严格与其他点独立的，过分描述了自然的复杂程度。大部分费曼图里出现的东西在真实世界里并不存在，例如“虚拟”粒子和“鬼”场。理论物理学家必须施加特殊规则，保证把这些不速之客及时扫地出门。

阿卡尼-哈米德、伯尔尼和他们的同事不把定域性当作出发点，而是假定粒子满足一定的对称性原则，因此得到的方程组简单得多。粒子仍然遵守定域性原则，不同的是从更深的考虑中推导出定域性，而不是事先假定定域性。这些理论物理学家并不打算开创一个宏伟的新粒子理论，而只是对现有理论进行精简。他们的方程组并不预言任何奇异的东西，而只是使得描述现在已知的东西更容易些。

历史上，这类数学公式的改写起过巨大作用。这揭示了关于物理学理论的一个异乎寻常的事实：物理学理论在形式上不是固定结构的，存在一种不可言说的东西，物理学家用一组方程组表示它们，但它们的存在超越了任何给定的方程组本身。这正如一个故事可以放在各种截然不同的时代背景中去一遍又一遍地讲，但仍可以辨认出是同一个故事；或者像一段音乐作品，可以通过改编而带来前所未有的质量和欣赏效果，或反过来带给人过于繁琐的感觉。也许最戏剧化的例子是，尼古拉·哥白尼把太阳放在宇宙中心，取代地球的宇宙中心地位。在当时，他的模型只是比旧的地心说体系改写后的数学公式前进了一点点，天文学家采用那个改写的公式作为一种精简的方式来绘制日历和行星图。但新的关于宇宙体系的构想导致了一些问题，这些问题在旧的体系里是没有意义的。到底是什么导致物体掉到地上的呢？行星轨道是不是一定是圆形的，或者会不会是椭圆形的？空间会不会无限大？哥白尼的工作也许不是革命性的，但它煽动了一场革命。

所以你看，懒惰有时有好处，人想少做点繁琐的苦工是创新的动力。阿卡尼-哈米德希望改写后的粒子理论公式会为寻找物理学大统一理论扫清障碍。一旦你不再假定世界围绕定域性原则，那么一切碎片都开始各就各位。

什么原则应该取代定域性原则？如果世界不是由定域的粒子组成的，那么世界是由什么组成的？现在还没有人知道，但现在物理学家有前进的路。尽管爱因斯坦会很痛苦，因为非定域性意味着现代物理大厦的倒塌，阿卡尼-哈米德却认为这是一个新的开始。“如果你是一个孩子，你会幻想，啊，这就是做理论物理学家的感觉，很刺激！”阿卡尼-哈米德说，他一直是个孩子。

我们已经看见非定域性比比皆是：在量子实验中，在黑洞悖论中，在宇宙宏观结构中，在粒子碰撞的漩涡中。在所有这些例子里，物理学到了一个模糊地带。物体可能超越光速穿行，因果关系可能颠倒，距离可能失去意义，两个物体可能是一个。这宇宙是怎么了，幽灵般地给人不祥的预感？

尽管这些形形色色的非定域性出现在不同的物理背景之下，但它们有惊人的共性，暗示物理学家们似乎像盲人摸象一样，在摸着同一只大象的不同部位。例如阿卡尼-哈米德认为他的理论中的非定域性类型可能包含量子纠缠。“不难设想，恰当理解这些事可能导致用一种新方法谈论量子力学，而不是用时空概念，”他告诉我，“也许在这幅新画面下，我们可以用新的语言来说量子纠缠是什么意思。”另一方面，吉丁斯等人认为量子纠缠也许就是把空间粘在一起的胶水。纠缠着的链接也许可能创建一条秘密通道，将黑洞内外打通。以后几章会讨论这一引人入胜的想法。

物理学家这一职业是有风险的，有时会遭遇震惊、错愕或意外。这一职业的全部目的就是透过表面现象去寻找一个更简单但又太遥远、无法亲身体验到的世界。然而有意思的是，这不是物理学家和哲学家第一次遭遇这种神秘感。在很多方面，定域性历史就是物理学本身的历史。

[1].Erector 玩具，一种拼装玩具，有很多孔，需要上螺丝。——译注

[2].阿尔·弗兰肯，“Al”Franken，即Alan Stuart“Al”Franken，美国喜剧家、演员、政治家和作家。——译注

[3].《星际迷航》，著名的科幻电影，里面有很多“瞬移”。——译注

[4].新泽西州有个昵称——Garden State，意为“花园之州”。——译注

[5].每小时150千米的车速非常快。美国高速公路一般限速在每小时100千米左右，高速公路两旁有限速标记，经常有州警巡逻车。——译注

[6].这本由C.W.麦思纳、K.S.索恩和J.A.惠勒联合编写的广义相对论教材被誉为引力理论中的“圣经”。——译注

[7].Geon，惠勒造的词，它由gravity和electromagnetism 两个词的首字母与“on”词根组合而成，有人译成“真子”“重力电磁体”，本文选用了“引力电磁体”的译法。——译注

[8].Horizon Problem，视界问题。可观测宇宙有一界限，相应边界称为宇宙视界。为什么宇宙会显得具有同质均匀性和各向同性？这是宇宙视界问题。——译注

[9].在黑板上刮指甲的声音非常刺耳，让人不快。如果你说出“快于光速”，那可要小心，物理学家会很不高兴。——译注

[10].conga line是一种新奇的舞蹈，从古巴狂欢节里的一个舞蹈得名，20世纪30年代和50年代在美国流行。跳舞的人组成一条长长的线，最终形成一个圈。——译注

[11].年轻的希腊女理论物理学家，以下称“马可波罗”。——译注

[12].quantum theory of gravity，量子引力理论，也可译为量子重力理论。——译注

[14].欧洲大型强子对撞机（LHC）是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器，是一种对质子进行加速对撞的高能物理设备，坐落于日内瓦附近瑞士和法国交界处的侏罗山地下的隧道内。2008年9月10日，LHC初次启动进行测试。——译注

[16].圣约柜是《圣经》中提到的最神圣的器物，里面藏着一块石板，其上刻有先知摩西所聆听的上帝的训诫。然而，这个神秘的器物在耶稣降生前却神奇地失踪了。——译注

幽灵般的超距作用：重新思考空间和时间

图书目录:

详情

图书摘要

版权声明

内容提要

其他

关于本书的评论

引言：爱因斯坦的空中楼阁

第1章形形色色的非定域性

闭嘴，好好算！

观天者与攀冰者

玩水泥的人和雕塑家的女儿

地下室里的粒子

相关图书

相关文章

相关课程

幽灵般的超距作用：重新思考空间和时间

图书目录:

详情

图书摘要

版权声明

内容提要

其他

关于本书的评论

引言：爱因斯坦的空中楼阁

第1章 形形色色的非定域性

闭嘴，好好算！

观天者与攀冰者

玩水泥的人和雕塑家的女儿

地下室里的粒子

相关图书

相关文章

相关课程

第1章形形色色的非定域性