歷經(jīng)世紀(jì)風(fēng)雨的相對(duì)論如今仍然是21世紀(jì)物理學(xué)大廈的基石。

但是，自從1978年克勞瑟和1982年阿斯佩驗(yàn)證了貝爾不等式不成立之后，相對(duì)論的基礎(chǔ)——光速不變，或者說，光速是自然運(yùn)動(dòng)的極限這一“金科玉律”被否認(rèn)。

特別是以后的關(guān)于多光子的量子糾纏的實(shí)驗(yàn)研究，更是證明了在量子世界中，相互作用可以超越空間、超越光速，是非定域的。以至于有的物理學(xué)家開玩笑說，在量子世界中存在“精靈古怪”，當(dāng)然這只是萬般無奈的物理學(xué)家自我嘲諷的一種方式。

在量子世界中，相對(duì)論的基本假設(shè)完全失效，已成為21世紀(jì)物理學(xué)一個(gè)最具挑戰(zhàn)性的難題。

EPR關(guān)聯(lián)之謎

量子理論被建立之后，關(guān)于量子理論的哲學(xué)基礎(chǔ)，存在著以愛因斯坦這些古典式物理學(xué)家為首的柏林學(xué)派和以玻爾那群新生代物理學(xué)家為代表的哥本哈根學(xué)派的爭(zhēng)論。

在歷次索爾維會(huì)議上，愛因斯坦和玻爾兩大陣營(yíng)就量子理論的哲學(xué)基礎(chǔ)進(jìn)行過數(shù)場(chǎng)針鋒相對(duì)的辯論。最后，愛因斯坦和玻爾之間的辯論因希特勒上臺(tái)之后迫害猶太人，愛因斯坦被迫離開德國(guó)而結(jié)束。

來到美國(guó)普林斯頓定居的愛因斯坦和他的兩位年輕同事波多爾斯基與羅森，在20世紀(jì)30年代又向遠(yuǎn)在歐洲大陸的玻爾發(fā)難，這次的發(fā)難是針對(duì)“測(cè)不準(zhǔn)原理”。挑戰(zhàn)的論文按三位作者名字的第一個(gè)英文字母縮寫，被簡(jiǎn)稱為EPR佯謬。

EPR佯謬是這樣的。

設(shè)想處于所謂單態(tài)的一對(duì)粒子（比如電子），它們的自旋互相抵消，這樣總自旋就為零。假設(shè)粒子A和粒子B被分開，沿某一個(gè)方向測(cè)定粒子A的自旋，結(jié)果為“向上”；由于這個(gè)粒子對(duì)的自旋為零，這就意味著，沿同一方向測(cè)定粒子B的自旋總是“向下”的。

但是，按照以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派的解釋，粒子A的自旋在被測(cè)定之前是沒有確定值的。在測(cè)定粒子A自旋的時(shí)候，必然會(huì)對(duì)粒子B產(chǎn)生瞬間的作用，使B的自旋波函數(shù)坍縮至相反的狀態(tài)，即“向下”的狀態(tài)。而這種異乎尋常的作用機(jī)制要求有超距相互作用，或者超光速的傳遞。但這在相對(duì)論看來，是不允許的。

愛因斯坦和他的合作者確信，這一現(xiàn)象預(yù)示了量子理論和相對(duì)論的沖突，因而量子理論是不完備的。這個(gè)重要的觀點(diǎn)，就是愛因斯坦學(xué)派的“可分離原則”，也就是后來所謂的“局域性原理”。當(dāng)愛因斯坦有關(guān)局域性原理的論文被玻爾看到后，玻爾的反應(yīng)很平淡。他還是哥本哈根學(xué)派的老觀點(diǎn)，認(rèn)為“主客體不可分”，堅(jiān)持粒子行為的概率解釋，認(rèn)為微觀世界有不同于宏觀世界的“特殊規(guī)律”，EPR關(guān)聯(lián)并不說明量子理論的不完備性。

顯然，玻爾的回答過于蒼白無力，沒有涉及EPR關(guān)聯(lián)之謎的核心：一旦EPR關(guān)聯(lián)存在，經(jīng)典的量子理論和相對(duì)論將會(huì)嚴(yán)重沖突。

在20世紀(jì)30年代后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，對(duì)于如何驗(yàn)證EPR關(guān)聯(lián)，許多一流物理學(xué)家都試圖嘗試，但無一例成功。1960年，天才的北愛爾蘭物理學(xué)家貝爾利用歐洲粒子研究中心的1年學(xué)術(shù)休假潛心研究，最終提出了一種大膽的不等式來檢驗(yàn)EPR關(guān)聯(lián)之謎。

貝爾不等式的提出與驗(yàn)證

為了推導(dǎo)出不等式，貝爾引用了前人一些公認(rèn)的經(jīng)典理論，此外他假定愛因斯坦的局域性原理是正確的。如果將來有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這個(gè)不等式不成立，那么不是量子理論的前提錯(cuò)誤，就是自然界存在的“非局域性”導(dǎo)致了不等式的不成立。

1978年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的克勞瑟，以及1982年法國(guó)巴黎的阿斯佩，都相繼在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了貝爾不等式不成立的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，盡管從表面上看局域性有道理，但是，量子世界實(shí)際上是由一種看不見的未知原理所支配的，它不需要中介，以超光速作用或者瞬時(shí)作用相聯(lián)系。這對(duì)相對(duì)論中“運(yùn)動(dòng)不能超光速”的觀點(diǎn)無疑是最沉重的打擊。

近年，物理學(xué)家已經(jīng)將光子作用的數(shù)量從早先的2個(gè)光子提高到8個(gè)光子，同樣違反貝爾不等式。同時(shí)，物理學(xué)家在20世紀(jì)90年代初又為這一現(xiàn)象取了一個(gè)名字，也就是“量子糾纏”。

目前，物理學(xué)家正在將光子作用的數(shù)量推廣到16個(gè)光子的體系。

量子糾纏對(duì)當(dāng)代物理學(xué)的沖擊

量子糾纏已被發(fā)現(xiàn)40年了。目前，物理學(xué)家正在將其推廣至多光子體系，并試圖用量子糾纏實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊，以及開發(fā)量子計(jì)算機(jī)等等。

量子糾纏的非局域性特征是對(duì)經(jīng)典相對(duì)論的巨大沖擊。相對(duì)論的第一個(gè)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)——光速不變?cè)?，在量子糾纏的存在下失效了。在量子糾纏的世界中，粒子之間的相互作用可以是超越時(shí)空的瞬時(shí)作用，它甚至不需要任何中介媒質(zhì)。但是，直到今天，為什么在量子體系中會(huì)存在“超越時(shí)空的‘瞬時(shí)作用”’這種顯然和相對(duì)論沖突的現(xiàn)象，物理學(xué)家仍然一無所知，只是在黑暗之中猜測(cè)。

近年，有學(xué)者提出了一個(gè)“相位空間理論”的觀點(diǎn)，并試圖以此來解釋量子糾纏。但是，由于這個(gè)理論依然建立在經(jīng)典的量子理論基礎(chǔ)上，沒有什么新的物理學(xué)原理被加入，所以，只是作為一種嘗試，并沒有得到物理學(xué)界的認(rèn)同。

同樣，也有人試圖修改相對(duì)論以使其和量子理論兼容，但是，卻繞不開以光速不變?yōu)榍疤岬幕炯僭O(shè)。

可以這樣說，在這個(gè)已被發(fā)現(xiàn)了40年之久的新的量子糾纏的世界中，當(dāng)代物理學(xué)家仍然一籌莫展。承認(rèn)量子糾纏的存在，就等于承認(rèn)在量子世界中相對(duì)論的基本假設(shè)之一——光速不變?cè)怼清e(cuò)誤的，這樣，整個(gè)相對(duì)論物理學(xué)的大廈將被顛覆。但是，為了一個(gè)未來的、新的物理學(xué)大廈，超越相對(duì)論是必須的。

科學(xué)的進(jìn)步總是在新發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上提出新的理論取代舊的理論。源于20世紀(jì)30年代的EPR關(guān)聯(lián)之謎，到了20世紀(jì)80年代得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而引出量子糾纏這一新現(xiàn)象。這一奇特的現(xiàn)象挑戰(zhàn)了已經(jīng)歷經(jīng)一個(gè)多世紀(jì)風(fēng)雨的相對(duì)論中的基本假設(shè)（光速不變，即光速是自然界運(yùn)動(dòng)的極限），也為相對(duì)論的終結(jié)打開了希望之門。

進(jìn)入21世紀(jì)后，物理學(xué)家又將量子糾纏的粒子數(shù)目推廣到多光子體系。隨著實(shí)驗(yàn)的深入，相信會(huì)有一個(gè)新奇的物理學(xué)世界呈現(xiàn)在眼前，相伴的物理學(xué)新原理將會(huì)被發(fā)現(xiàn)，從而超越已經(jīng)經(jīng)歷一個(gè)世紀(jì)風(fēng)雨的相對(duì)論。

（張小寧 插圖）