阿尔伯特·爱因斯坦攻击量子论
这是1935年5月4日《纽约时报》的头条新闻，时年56岁的世界上最伟大的物理学家转而反对他自己的创造物，就像弗兰肯斯坦(1)抛弃自己创造的怪物一样。当然，爱因斯坦一直对量子力学心存疑虑。1935年，在他的年轻助手纳森·罗森的帮助下，爱因斯坦投入了所有时间，他要把量子力学推向灭亡。
倾注了多年的血汗，并得到了俄罗斯物理学家鲍里斯·波多尔斯基的一点帮助，爱因斯坦最终在玻尔的盔甲上发现了一道裂缝，这就是后来的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬，简称“EPR佯谬”。[1]
必须处死猫吗
薛定谔方程把粒子描述成一个随时间变化的取平方根的可能属性—波函数。我们没有理由只局限于一个粒子。
氦原子的原子轨道上有两个电子。由于波函数可以叠加，两个电子的波函数可以组成一个“双电子波函数”。这在数学上比较复杂，但在物理学上没有问题。
我们甚至可以更进一步，把质子和中子的波函数与双电子波函数加起来，从而得到整个原子的波函数。实践中很难做这样的计算，通常我们不得不走捷径（参阅附录Ⅱ），但在理论上我们可以计算任何事物的波函数，无论它包含多少粒子。
我们先从两个电子开始，把它们的波函数加起来。现在，在波函数上计算的每一个值，都是把这对电子当成一个单位，而不是单个的电子。
一对电子的波函数可以告诉我们，其中一个电子上旋，而另一个电子下旋，但在测量之前我们无法确定究竟是谁在上旋、谁在下旋，因为波函数是联合在一起的，我们必须描述整体，而不能描述其中的成员。
薛定谔把这样的两个粒子称为“纠缠”，因为它们的属性就好像纠缠在一起，在测量时无法预测哪个粒子会出现哪种属性。[2]
我们可以打个比方，还是以薛定谔的盒子为例，但里面关着两只猫。在经典状态下这两只猫是不同的。“手套”是一只毛发蓬松、长胡须的橘猫，“靴子”是一只毛发粗糙、短胡须的黑猫。但在量子力学中，我们只能说盒子里存在“橘猫”“黑猫”两种状态，以及“毛发粗糙”“毛发蓬松”“短胡须”和“长胡须”这些状态。
打开盒子的时候，我们可能发现一只毛发蓬松、短胡须的黑猫和一只毛发粗糙、长胡须的橘猫。很难说哪只是本来的“手套”。
“手套”已经不存在了，因为定义它的特征不再相同，而是与“靴子”混在一起。换句话说，猫不会消失，但通过纠缠，它与另一只猫“杂交”在一起。
分而迷惑
假设有一个未被测量的粒子，该粒子同时处于上旋和下旋的叠加态。现在把它分成两部分（别担心怎么做，假设你能做到），形成两个次级粒子。原始的初级粒子的波函数已经分裂，但它的所有信息仍然存在。次级粒子具有初级粒子的综合属性，但仍然很难说哪个粒子有哪种属性。
根据经典物理的常识，我们可以得出结论，其中一个粒子上旋，另一个粒子下旋。但量子力学说，在测量之前我们无法确定粒子的性质。这两个粒子的整体仍然处于上旋／下旋的状态，但它们都没有决定选择上旋还是下旋。
当然，如果我们测量其中一个粒子，它就必须选择一种本征态。假设它选择上旋。两个粒子的整体波函数仍然是上旋／下旋，由于其中一个粒子已经选择了上旋，那么另一个未被测量的粒子就一定会在瞬间变成下旋。
按照薛定谔的理论，另一个未被测量的粒子不能保持叠加态，因为整体波函数始终处于上旋／下旋的状态。如果我们测量一个粒子，使其坍缩成本征态，那么另一个粒子就必须采取对应的本征态。
然而，要使未被测量的粒子坍缩成下旋，那么已测量的粒子就必须让它知道，两者之间会传递这样的信息：“我已经坍缩成上旋，你最好现在就坍缩成下旋！”
粒子之间的距离无关紧要。我们可以在一个房间的两端或一颗行星的两端这样做，结果都是一样的。量子力学预测，一对纠缠的粒子必须在瞬间相互传递信息，这就是EPR佯谬的来源。信息不可能传递得那么快，否则就违背了狭义相对论。
相对简单
量子力学是团队努力的结果。普朗克是经理，爱因斯坦是队长，玻尔是守门员（他实际踢的位置），德布罗意、玻恩、索末菲和泡利是中场，然后海森堡和薛定谔是前锋，施特恩和格拉赫是后卫。噢，很明显，他们的吉祥物是一只猫。
在量子力学的发展过程中，量子物理学家获得了超过30个诺贝尔奖。虽然爱因斯坦是一个关键人物，但他只是其中之一。不同的是，狭义相对论基本上就是爱因斯坦一个人的理论。
相对论有两种，分别是1916年提出的广义相对论和1905年提出的狭义相对论。我们将在最后一章讨论广义相对论，但EPR佯谬只涉及狭义相对论，所以我们先了解一下。
狭义相对论做了两个假设：
（1）测量时，所有人的视角都是一样的；
（2）无论如何移动，光速对每个人都是相同的。
第一个假设意味着没有人可以说自己的测量是客观的。例如，你可能认为自己正坐着不动，其实并不是。你正在绕太阳运行，相较于读到这句话的时候，你的身体已经移动了90千米。你的速度取决于谁拿着速度计。在你自己看来，你的速度是0km/s，但在太阳看来，你以30km/s的速度绕着它运转。狭义相对论认为这两个答案都是有道理的，都是相对于不同的环境的。
假设你以20m/s的速度射出一支箭，你的朋友以15m/s的速度骑自行车（假设她之前被炮弹炸掉的手现在已经好了）。
你会说箭以20m/s的速度移动着，但如果问她，她会说箭射向她和自行车的速度是5m/s。你们的这两个数字都是对的，因为这两个速度同样有效。但是光速例外，对每个人来说，光速都是299,792,458m/s，无论何时何地。
你可能在学校里学过，光穿过玻璃时速度会变慢，但这有点误导人。玻璃中的原子吸收光子并重新发射光子，这一过程延长了光穿过玻璃的总时间，但光子在每个原子之间的速度仍然是299,792,458m/s。这在整个宇宙中都是不变的。
如果你发射一束光，光速为299,792,458m/s，你的朋友再一次沿着光速的方向骑自行车，假设速度是100m/s（假设她身体非常健康），你问她现在的光速是多少，她会回答说299,792,458m/s。和你一样。但这好像有点问题。如果她紧挨着光束以100m/s的速度骑车，她测量的速度应该比你测量的慢，就像测量箭速那样，不是吗？狭义相对论说不是。光速对每个人来说都是相同的。
即使她的移动速度达到光速的99%，她的测量结果仍然是299,792,458m/s。你以为她会说出不同的答案，但每一次她的答案都是相同的。
或者假设她朝着你骑车，光束与她迎面碰上。光在靠近她，难道她测量的光速不应该更快吗？爱因斯坦说，不。她看到的光速是一样的。
有一个简单的方法证明光速对每个人来说都是相同的（参阅附录Ⅲ），但如果我们现在就把它当成给定的条件，其含义就真的有些古怪了。
如果不同速度的两个人测量到相同速度的光，那么他们的参考系之间一定有什么东西被扭曲了；如果他们测量两种不同的情况，却得到了相同的结果，就一定有哪里不对。爱因斯坦说，罪魁祸首就是时间。
如果我们接受狭义相对论的两个假设，那么对移动中的两个观察者来说，时间的流速一定不同。一个人的速度越快，他的时钟就越慢，结果光的时间流动也更慢，看上去似乎光速是一样的。你的朋友骑在自行车上，她的时间更慢，因此在测量光速时，得到的结果似乎是一样的。
然而，她感受不到这种时间膨胀。如果她看着自己的表，秒针的“嘀嗒嘀嗒”（对她来说）也不会有什么差别，她脑中的所有粒子也都在体验更漫长的时间。在她看来，你才是那个时间轴被扭曲的人。她看到你在加速，就像一部快进的电影，而你们都不能说自己的时间是“正确的”，因为所有测量都有各自的依据。
听起来像编的，对吧？1971年，理查德·基廷和约瑟夫·哈菲尔校准了两个原子钟，把它们以不同的速度分开，从而检验了狭义相对论。一个原子钟被放在商用喷气飞机里（机票是给钟先生的），环绕地球飞行了8圈；另一个原子钟则留在地面。
飞行结束后，哈菲尔和基廷对比了钟先生及其兄弟的读数，发现它的读数落后的时间正好与爱因斯坦预测的相符。
影响确实很微弱（钟先生只慢了几纳秒），但你的移动速度越快，衰老速度就越慢。在一定程度上如此。
时间膨胀效应不可能无限地持续下去，因为存在一个时间流逝最慢的速度—时间可以完全停止。猜猜在什么速度下时间会完全停止？答案是299,792,458m/s。光速实际上是时间停止的速度，所以它也是万物所能达到的最快速度。
我们谈论光速，并说它是万物能够达到的最快速度，其实这并不准确。我们最好这样说：速度越快，时间越慢，直到速度达到299,792,458m/s，对你而言时间就停止了。
对光本身而言这没有什么特别之处，特别的是宇宙有一个最大速度，而光恰好以这个速度运动。时间扭曲使任何事物的速度都有限制，这使得量子纠缠不可能发生。
在狭义相对论中，两个粒子之间的传播速度不可能超过299,792,458m/s，但量子纠缠的粒子之间的信息必须做到这一点。选择上旋的粒子必须以比光还快的速度向它的伙伴发送一份公报，提醒它该坍缩了。爱因斯坦把这种现象称为“幽灵般的超距作用”。
幽灵般的猫
爱因斯坦、波多尔斯基和罗森强调了量子力学与狭义相对论的这种矛盾，而且提供了一种解决方案，那就是量子力学错了，而爱因斯坦是对的，真让人大跌眼镜。
如果被测量，纠缠的粒子必须提前决定该如何自旋。它们在从“纠缠机”（我随便给产生纠缠对的装置起了个名字）中诞生的时候就达成了协议，然后按照预定的路线飞行。
它们的对话会是这个样子：
电子：嘿，哥们，等我们穿过施特恩-格拉赫自旋探测器的时候，你上旋，我下旋，怎么样？
另一个电子：等等，为什么一定要我上旋？
电子：（叹气）你怎么总是这样？
另一个电子：我怎样了？
电子：执拗。
另一个电子：我不执拗，兄弟。我只是觉得在自旋这件事上我们应该一视同仁。
这正是爱因斯坦的观点。
在爱因斯坦的纠缠理论中，粒子并不是在被探测的时候才决定它们将是什么状态的，而是它们提前准备好了一个答案等待我们去发现，并不存在什么叠加态，只存在未知。
假设有一只红猫和一只绿猫，它们被分别放在两个盒子里，然后被送到太阳系的两端。如果我们打开其中一个盒子，可能会看到红猫，因此我们立刻就知道另一个盒子里有什么。“绿猫”这一信息通过隐喻的方式穿越宇宙，来到我们身边。这个过程并没有违背相对论，因为确实没有什么东西经过这段距离。
量子的观点是，猫没有选择什么属性，它们随机地决定，心电感应般地交流，速度比光还快。爱因斯坦的观点是，猫的属性永远存在，我们只是在测量时才看到。
发表这篇论文以后，爱因斯坦和罗森继续密切合作着，并建立了长久的友谊。同时，波多尔斯基逐渐淡出了公众视野，尽管一些历史学家声称他在冷战时期曾是克格勃(2)的间谍，有一个酷毙了的代号：量子。[3]
顺便说一句，我知道量子力学的每一个类比都涉及打开或关闭的盒子。下一次我会用不同的方法。我保证。
爱因斯坦，丧钟为你而鸣
在爱因斯坦的理论已经准备好让他理所当然地躺在功劳簿上时，却迎来了一位叫约翰·斯图尔特·贝尔的北爱尔兰科学家。贝尔曾在20世纪60年代打乱了量子力学的进程。他一生都是充满**的科学家，不喜欢摆架子，不遗余力地向公众解释物理学。在设法描述EPR佯谬的过程中，他想到了一些很奇怪的东西。
贝尔的理论使他入围诺贝尔奖[4]。他改变了规则，将EPR佯谬用于实验。遗憾的是，贝尔从未获得诺贝尔奖，因为组委会还没来得及做出决定他就去世了，而诺贝尔奖原则上不颁给死者。不管怎样，他的理论活了下来。
我们把两个粒子纠缠在一起，给它们取名为“爱丽丝”和“鲍勃”，让它们分别通过房间两端的施特恩-格拉赫通道。在每一次测量中，我们都可以让通道呈纵向、横向或斜对角排列。现在，我们假设爱因斯坦是对的：两个粒子预先决定了它们将在测量时采取的自旋。
纵向通道产生上／下旋，横向通道产生左／右旋，斜对角通道产生……东北／西南旋？
粒子的横向自旋和纵向自旋是独立的，但斜对角自旋不是。粒子的横向自旋和纵向自旋将影响它在斜对角方向上的选择。
可以这样想：如果把两个探测器都纵向放置，当爱丽丝上旋的时候，鲍勃下旋的概率是100%。然而，如果把鲍勃探测器设置成直角，我们就不知道结果会怎样了。爱丽丝会上旋，但鲍勃选择左旋或右旋的概率各50%。
但如果把鲍勃探测器设置成45度角，它就处在两个极端状态之间。我们可以预测它的自旋，置信区间在50%—100%。我们可以预测在75%的情况下，鲍勃会选择哪种对角自旋。
如果鲍勃粒子上旋，它的对角自旋有75%的可能是东北旋（即略微向上）；如果鲍勃粒子下旋，它的对角自旋有75%的可能是西南旋（略微向下）。
根据爱因斯坦的理论可知，爱丽丝和鲍勃早就选好了上旋还是下旋，但贝尔指出，它们更倾向于决定选用某个对角线。
我们无法同时测量粒子的对角自旋和纵向自旋（诅咒你，海森堡），但我们可以测量它们的纠缠伙伴。如果我们测量爱丽丝的纵向自旋，发现她是上旋，那么鲍勃应该采取预先决定的相反自旋（下旋），这将影响它的对角自旋；如果爱丽丝上旋，鲍勃在通过对角通道时有75%的可能性是西南旋。
假设我们做一百次实验。如果我们把爱丽丝探测器纵向放置，在所有爱丽丝选择上旋的情况下，鲍勃有75%的可能性是西南旋。反之亦然。
换句话说，如果鲍勃和爱丽丝在测量之前没有下定决心，那么实验结果将不符合75%，我们会得到另一个数字。这个实验或许可以解答叠加态是否真的存在。
1982年，法国物理学家阿兰·阿斯佩根据贝尔的说明成功制造了一台运行良好的纠缠机，并做了一次EPR实验，希望借此验证爱因斯坦的理论，并一劳永逸地推翻玻尔的哥本哈根诠释。[5]
贝尔希望实验结果与“75%”相匹配，从而证明粒子预先决定的隐藏属性，但这些数字错了，完全错了。阿兰·阿斯佩没有观察到贝尔的“75%”，这意味着爱因斯坦对EPR佯谬的经典的预先决定论是错误的。
粒子并不会预先决定什么。不知何故，它们的确是在被测量时才决定自己的状态的，哪怕被狭义相对论所禁止的距离分隔开。量子力学怪事连连。
这并不一定能证明粒子发送信息的速度比光还快，但说实话，没有人能确定这究竟证明了什么。
一种解释是，粒子之间的某种东西的速度比光速还快。另一种解释是，这些粒子超越了宇宙的维度，通过微小的虫洞连在一起。还有一种解释是，纠缠的粒子根本没有分开，我们认为它们分开了只是出于一种空间错觉，但实际上它们是连在一起的。
我们无法理解，但两个纠缠的粒子的确以某种方法保持通信，不管距离有多远。你对地球上一个粒子所做的事情，会立即影响它在月球的孪生兄弟，它们之间的信息传递不需要时间。对这种事情的猜测，其他人和你是一样的。我个人认为是妖怪在作祟。
(1) 英国作家玛丽·雪莱的小说《弗兰肯斯坦》（Frankenstein）中的人物。弗兰肯斯坦是个疯狂的科学家，他创造出一个怪物来，而这个怪物杀死了弗兰肯斯坦的弟弟和爱人，弗兰肯斯坦决定毁掉它。—译注
(2) 全称“苏联国家安全委员会”，是苏联的情报机构。—译注