非局域性的故事：从牛顿，到爱因斯坦，到量子物理 | 周末读书

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　　 撰文

　　 尼古拉·吉桑 （ 日内瓦大学教授 ）

　　 从小开始，我们就知道该如何接触一个我们够不到的物体：要么我们向它挪动，比如像婴儿那样爬过去；要么我们得用一个物件，比如说一根木棒，作为我们延长的手臂触碰它。后来，我们了解到，更复杂的机制也是同一原理。比如：把一封信放进信箱，信会先由邮递员集中起来，手工分类或者用机器分类，接着装上大货车、火车或者飞机，然后运往目的地。网络、电视以及其他数不胜数的日常案例告诉我们：任何两个相隔的物体之间的相互作用总是从一点到另一点连续发生的――这些传播方式依据的也许是某些复杂的机理，但是这些传播都是连续的，我们能在空间和时间中定位其轨道，至少原理上是可以的。

　　 然而，量子物理，这种研究我们日常感知世界之外的学科，断言相互之间距离很遥远的物体有时能构成一个整体。这样，尽管两个物体被遥远的空间所分割，如果我们触碰两个物体中的一个，这两个物体都会振动！如何才能相信这种事情？能对这样一个观点进行实验验证么？我们需要搞清其原理么？我们能利用量子物理的这个“古怪”之处，即“分散的物质能构成一个整体”这个概念，来做到远距离通信么？这正是我们这本书要试图回答的主要问题。

　　 我将会和你们分享这个从另一世界得来的迷人发现。这个世界中万物并不以连续的、点对点的方式相互作用，而是通过“非局域”的方式相连接。

　　 在介绍这本书的核心概念“非局域性”之前，我先讲两个小故事，这将帮助你了解我们的故事所发生的背景。一个是真实的故事，发生在遥远的过去;另一个是想象的场景，在不远的将来也许会成为现实。

　　 牛顿：天大的谬论

　　 牛顿的万有引力定律众人皆知，即：物体间存在着相互吸引作用，而且相互吸引的大小取决于它们的质量以及相互之间的距离（更精确地说，作用力与相互距离的平方成反比，但是在这本书里这不是核心问题）。比如，太阳和地球通过引力联系在一起。引力充当向心力，使得地球在围绕太阳公转的近圆轨道上运行。这种联系对于其他系统也适用，包括地月系统，甚至围绕着星系团中心旋转的银河系。

　　 让我们首先分析一下地月系统。月球所受到的来自于地球的吸引力取决于地球的质量以及地月之间的距离，月球如何感知到这一作用形式的？即，月球究竟如何感知地球的质量和两者之间的距离？难道它像我们前文提到的那样，伸出一根很长的棒子碰到了地球？或者它向我们发射某种微粒进行探测？它们究竟是通过哪种特殊的方式进行了交流呢？这种问题看似幼稚，其实却很严肃，牛顿对其充满不解，并为之陷入困惑的深渊。万有引力定律，牛顿创立了它并且通过它赢得了巨大声望，但在他自己看来，这一理论荒谬至极，“头脑清醒的人都不会将它当作一回事儿。”（见“百宝箱”）。

　　 百宝箱

牛顿

　　 “我们这里所论及的引力应是物质固有的、内在的、本质的属性。因此，一个物体可以不通过任何介质而穿过真空中的距离对另一个物体产生作用，并将它们的作用(Action)和力(Force)传送给对方这一事实对于我来说简直就是一个天大的谬论。因此，我相信，任何有足够的哲学思维能力的人都不会沉溺于此。”[ Cohen B, Schofield R E. Isaac Newton Papers and Letters on Natural Philosophy and Related Documents. Harvard University Press, 1958.]

　　 目前，我们可以肯定地说，牛顿的直觉是正确的。虽然，为了弥补牛顿理论的概念性空白，付出了物理学家几个世纪的艰辛以及爱因斯坦的天赋、智慧。时至今日，物理学家们知道引力以及正负电子间的相互作用并不是瞬间发生的，而来源于某种“信使”的传播。因此，上面提到的“微粒”假设是正确的。物理学家对这些作为信使的微小粒子进行了命名：引力的信使被称为引力子(graviton)，电磁力的信使则被称为光子(photon)。

　　 沿着这种物理学思维方式，自爱因斯坦始，物理学将大自然描述为一个只能在空间中进行连续的、逐点相互作用的局域性实体的集合。这个观点当然符合我们对世界的直觉，也符合牛顿的观点。但是现代物理学同样建立在另一根理论支柱――量子力学之上，它被用于描述原子和光子的世界。爱因斯坦参与建立了这个理论。在1905年，他将光电效应解释为：光线中的微粒，即光子通过轰击金属表面并与表面的束缚电子发生相互作用而激发出电子，就像运动的弹球间的相撞一样。但是，随着量子物理的发展和成形，爱因斯坦开始排斥、批评这个理论，因为他很快察觉到为了维护这场物理“闹剧”，需要引入一种超距离相互作用的概念。就像三个世纪前的牛顿一样，爱因斯坦排斥这种假设，他认为这是荒唐的，并将之形容为“幽灵般的超距作用”(a spooky action at a distance)。

　　 今日，量子力学殿堂金碧辉煌地耸立起来了，成为现代物理学的核心。它确实蕴含着一种可能让爱因斯坦颇为不悦的非局域性概念，虽然在本质上，这种非局域性与困扰牛顿的非局域性迥然不同。除此之外，这种量子非局域性是由牢固的实验支持的，我们甚至发现了它在密码技术上的应用前景，它同样使量子通信这一让人惊异的技术成为可能。

　　 诡异的“非局域”电话

　　 接下来的故事乍看起来好似不够奇幻，但却是个科幻故事。或许，不久的将来这个故事将通过科技变成现实。

　　 我们想象一下两个朋友在打电话。为求简便，我们根据字母表的顺序分别命名他们为艾丽斯(Alice)和鲍勃(Bob)（ Alice和Bob是量子世界中常用的两个虚拟人物。）。两人以前打电话，有时会出现信号不好或者有杂音的情况，这次也不例外。不过这次通话实在难以进行，因为鲍勃所说的艾丽斯一点也不能听清。她能听到的只是连续的噪音：

　　 “c-h-r-z-u-k-s-c-r-y-p-r-r-s-k-r-z-y-p-c-z-y-k-r-t-……”。

　　 同样，鲍勃听见的也只有相同的噪音：

　　 “c-h-r-z-u-k-s-c-r-y-p-r-r-s-k-r-z-y-p-c-z-y-k-r-t-……”。

　　 他们徒劳地对着话筒大喊大叫，反复通话，在电话线长度允许的最大限度下改变电话在公寓的位置，而这些都不起作用。多恼人！这个电话实在名不符实，用它两人根本无法交流。

　　 不过，艾丽斯和鲍勃都是从事物理学的学生。他们各自记录下了这个“仪器”发出的一分钟时长的噪音。这样，艾丽斯能向鲍勃证明她已经尽了最大的努力去尝试理解这些声音，鲍勃也是如此。令人惊奇的是：两个朋友所记录的噪音竟然严格一致。他们使用的是数字记录仪。艾丽斯和鲍勃发现，他们两人所记录信息的每一个比特都是相同的。实在难以置信！这个声音肯定来源于接线员，或者电话线上的某处。由于声音是完全同步的，他们认定：声源应该在电话线的正中点，这样它刚好可以同时到达艾丽斯和鲍勃那里。

　　 两个朋友决定验证他们的假设。他们设计实验来证明他们的猜测：噪音的起因是连接他们的电话线的正中间处的电子元件出现了故障。艾丽斯提议用一截长电缆来延长她的电话线，这样，相对于鲍勃，她接受到的噪音将会略有延迟。但事实并非如此，一切都没任何改变！两边所接受到的噪音不仅依然完全一样，它们到达记录仪的时间也完全同步。鲍勃提议，那么就切断电话线吧！但是声音依然存在！

　　 如何解释这个现象呢？难道声音不是通过电话线传导的么？是因为有人无意中把一个无线电话挂在墙上了么？要不然就是声音是电话自己产生的，而不是两个电话间的某个声源造成的。难道是因为某个遥远星系爆炸后让这两台能接受信息的电话产生了同样的声音？如何证明这些假设呢？鲍勃具有电磁学的知识，他把自己关在了法拉第笼(faraday cage)里，这是一种金属网络的笼状结构，可以屏蔽一切试图进入其中的无线电波。但声音依然存在。艾丽斯提议，他们相互远离对方――很远，很远……这样的话，不论这个声音是通过何种力学机制传播的，声源和接收者之间的联络强度将随两者之间的距离增加而渐渐减弱，直至消失。但是又一次，什么都没有发生改变，一切如初。

　　 艾丽斯和鲍勃对他们的遭遇如此下结论：他们的电话听筒记录了一长串的声音，只要每次拿起话筒，电话都将重新播放这串声音；而且这一串声音是精确地依据时间而仔细排列的。这样，两部电话便会总能同步地产生同样的声音。

　　 因为寻找到了问题的合理解释，艾丽斯和鲍勃感到了巨大的愉悦，他们自豪地将新发现告诉教授。教授及时称赞了他们的努力，但是说：“你们的结论――两个电话通过某种共同原因，即两个电话话筒事先已经记录下了相同的声音，而可以同步产生同样的声音――只是一个猜想。这个猜想是能够被检测的。这种检测，我们称之为贝尔检测(Bell test)。”贝尔检测，或称为贝尔游戏，将在随后的章节为大家展示。在眼下，你们只需知道，艾丽斯和鲍勃匆忙返回他们的房间，加紧对他们的电话实施贝尔检测，却失败了。他们重复了很多次实验，结果总是一样。电话话筒自身记录声音的这个理论被否定了。

　　 艾丽斯和鲍勃不断思索：究竟是什么力学机制让他们的电话在相距很远，且没有提前记录信息，没有相互联系的情况下产生了同样的声音。他们白白地耗费头脑，完全想象不出该如何解释这种现象。他们回去询问教授，教授回答：“你们找不出是什么力学机制并不让我惊讶，因为根本没有这种力学机制；这不是一个力学问题，而是量子物理。声音是随机产生的，而且是真正的随机。声音的每一个比特在电话话筒产生它之前都是不存在的。还有，这种量子随机可以在几个地方同时出现，比如在你们的两个电话话筒中。”

　　 “但是，”艾丽斯大声说：“这不可能。信号应该随着电话之间的距离递减，不然这意味着我们可以在任意距离上联络。”

　　 “还有，”鲍勃说：“完全同步意味着任意速度的通信，比光速还快。这不可能！”

　　 教授依然保持冷静：“你们说过，尽管你们改变了位置，转向其他方位，或者摇晃电话，声音却还是不变。现在你们意识到了吧，随机产生的声音并没有让你们成功交流，你们话筒另一边的人也没有从你们做的那么多事中得到任何信息。”他继续总结：“因此这没有和爱因斯坦的相对论冲突，你们很好地证明了没有任何通信传播能比光速更快。”

　　 艾丽斯和鲍勃无言以对。的确，在这场电话闹剧中，他们并没有实现任何交流，因此这个设备根本不能称为电话，虽然它有着一般电话的样子。但是它们是如何在不交流、不事先串通的情况下一直产生相同声音的呢？真随机能同时出现在好几个不同的地方的解决方案又意味着什么呢？片刻的沉默后，鲍勃恢复了清醒，开始了新的思考：“事情如果真的如此，那么我们应当可以利用这种现象设计些具体的应用方案。建造一些具体的东西，研究、使用它，直到明白在表面现象的背后，它是怎么运作的。毕竟，我们也是如此搞清楚了电的原理，球的旋转如何改变其运动轨迹等。事实上，我们对事物的一切了解都是这样得到的。”

　　 “对！”教授总结道：“这个现象可以用来生成随机数，给机密通信进行加密，我们称其为量子加密技术，它还能应用于量子通信。”但是，我们首先必须理解其背后的基础概念――非局域性。

　　 以上内容节选、整理自《跨越时空的骰子――量子通信、量子密码背后的原理》。

　　 量子通信可以超光速吗？如何实现不可破解的密码？是否存在超越量子力学的不确定性？……阅读本书，你将寻找到这些问题的答案。然而，本书并非仅仅为了告诉你答案，而是要带领你感受一个新的世界，去像量子物理学家一样思考。不仅对缤纷炫目的量子科技会有更深的理解，你还将体会到其背后的思想革命所带来的震撼！

　　 延伸阅读

　　 ① 一场伟大的观念革命正在发生：量子纠缠和第二次量子革命

　　 ② 引力之谜：从牛顿的苹果到爱因斯坦的时空弯曲

　　 ③ 爱因斯坦不会高兴的：量子纠缠不但真的存在，还可能是时空的本源

　　 ④ 爱因斯坦与玻尔有关量子理论的旷世争论宣告终结

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