简介
这是一次关于量子物理学核心观点的极简分享。
光究竟是粒子，还是波？
薛定谔的猫，怎么能既死又活？
相隔亿万光年的两个电子，为何可以“心有灵犀”？
世界只有在我们睁眼观察时才存在吗？
爱因斯坦，薛定谔，玻尔，泡利，德布罗意……名震寰宇的大师们争论不休，试图用他们天才的头脑解决量子物理问题，却陷入了一个谜团。
这本书提供的正是关于所有这些问题的解释，尽管这些解释无法彻底消除量子物理至今存在的神秘感，但是正如作者所言，每一种解释，都是一种不可或缺的慰藉。
在探索科学的过程中，我们即使终究不能获得完美解答，但是人类智慧的碰撞，却能带给我们莫大的启迪。
作者介绍
约翰·格里宾
英国科学读物专业作家，萨塞克斯大学天文学访问学者。他毕业于剑桥大学，获天体物理学博士学位,现在是苏塞克斯大学的客座天文学研究员。曾先后在《自然》志和《新科学家》周刊任职。他经常为《泰晤士报》《卫报》和《独立报》撰写科学文章。他的著作超过50部，包括《寻找薛定谔的猫：量子物理的奇异世界》《双螺旋探秘：量子物理学与生命》《寻找多重宇宙：平行宇宙的疯狂世界》《科学史话：改变世界的100个实验》等书。
部分摘录：
在继续本书之前，我们还有一项重要的事情要做，就是从双孔实验中学习另外一课。这不同于可以同时把电子视为波和粒子这类事情，它们在实验过程中穿行时似乎像波，但在到达检测屏时似乎像粒子。有时候它们表现得好像是波，有时候它们表现得好像是粒子，这里的“好像”二字很重要。我们无法知道量子实体“真正是什么”，因为我们不是量子实体。我们只能用一些我们有直接经验的东西做类比，如波和粒子。早在1929年，物理学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）便以令人难忘的风采指出了这一点，他在题为《物理世界的性质》（The Nature of the Physical World）的著作中说：
我们无法用自己熟悉的理念描述电子……这是我们未知的事物，它正在做我们不了解的事情。听上去（这）并不是一个特别能为人带来启发的理论。我在其他地方读过这类事情——
柔软滑腻的奇怪动物
旋转着在日晷周围的草地上打洞。[1]
确实，与考虑电子表现的波和粒子的行为相比，如果我们想象实验中有一些柔软滑腻的奇怪动物，它们旋转着打着两个洞，我们的日子或许会好过一些。为了避免过分渲染，我不会在每次提到量子世界中的一个事件或者实体时说到“好像”，但读者在阅读时应该假定这个词的存在。
人们在说到电子和其他“粒子”的一个基本性质时称其为“自旋”，但确实，“gyre”（卡罗尔杜撰的词，意思是“旋转”）是描述这种性质的更好的术语。与波和粒子一样，自旋是一个我们熟悉的温馨术语，但它也和波与粒子一样，会对人造成误导。原因之一是，量子力学的方程告诉我们，一个量子实体必须旋转两次才能回到初始位置，无论这在物理上有何意义（我当然想象不出）。但自旋在讨论许多量子现象时非常有用，因为它有两种形式，可以分别视为“向上”和“向下”。这样就简化了讨论，否则可能会复杂得难以驾驭。
例如概率。德国物理学家马克斯·玻恩（Max Born）以可靠的数学关系为基础，将概率的理念引入了量子力学的领域。我们在此不过多考虑数学问题，只是以电子自旋（或者像爱丁顿可能更愿意说的那样，是“奇怪动物的旋转”）为一个例子，感觉一下它的重要性。我们或许可以用量子力学的方程描述一个实验，其中一个原子发射一个电子，后者穿越空间（这是一个真实过程，人称贝塔衰变或β衰变）。在理想化的实验情况下，这个电子具有确定的自旋，或者向上，或者向下。但我们没有任何办法提前预知会是哪种情况，二者都有50∶50的机会。如果做这个实验1000次，或者同时用1000个原子做这个实验，你会发现500个电子（或许有正负几个的误差）自旋向上， 500个电子自旋向下。但如果你抓住单独一个电子并测量它的自旋，在查看结果之前你无法判断它会朝哪里旋。
到这里为止，没什么让人吃惊的地方。但爱因斯坦意识到，当两个电子反向飞出时，量子理论的方程预言了一件非常令人吃惊的事情。[2]我们可以在某些情况下应用一个守恒定律，其中说这两个电子的自旋必须相反，一个向上，另一个向下，于是它们实际上相互抵消。但量子力学的方程说，当母原子发射这两个电子时，它们并没有确定的自旋。每一个电子都以人称“态叠加”的状态存在，即向上和向下这两种状态的混合，而只是当它与其他事物相互作用时，电子才会根据概率论的规则，“决定”自己采取哪种自旋。爱因斯坦抓住的一点是，如果这两个电子的自旋必须相反，则当电子A“决定”自旋向上的那一瞬间，电子B必须自旋向下，无论这两个电子相隔多远。他将之称为“幽灵般的远程作用”（spooky action at a distance），因为乍一看，就好像这两个电子之间交流的速度超过了光速一样，而根据狭义相对论，这种情况是禁止的。
爱因斯坦发展了这个想法，并在鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和南森·罗森（Nathan Rosen）这两位同事的协助下写成了一篇论文（有些人或许会说是在他们的“妨碍”下而不是协助下，因为这篇论文的语言很差，没有清楚地表达论点），发表在1933年。根据他们的姓氏首字母，人们称这篇论文为EPR论文，而爱因斯坦试图阐述的观点人称EPR悖论，尽管它本身完全不是个悖论，而是个谜团。 1935年，薛定谔在一篇科学论文中创造了另一个著名的“悖论”，他在其中将两个量子系统之间似乎通过“幽灵般的远程作用”产生的联系命名为“量子纠缠”。 EPR论文说，量子理论“使（第二个系统的性质）的真实性取决于对第一个系统的测量过程，尽管这一过程不会以任何方式干扰第二个系统；我们无法想象，任何有关真实的合理定义能够容许这种情况发生”。他们破解这个谜团的方法是：“因此我们只能得到一个结论，即量子力学对于物理真实的描述……并不完备。”爱因斯坦认为，必定存在着一种叫作隐变量的内在机理，它能够确保，当这个例子中的电子从母原子飞离时，不会真正具有选择自旋向上或者自旋向下的能力，而是一切都有事先确定的规律。
尽管EPR论文的发表在专家们之间激起了热烈的争论，但此后三十年间，人们都没有在洞察量子纠缠方面取得真正的进展，其原因主要是， 1932年，在EPR论文发表以前，当时最著名的数学家之一约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann）出版了一部有关量子力学的很有影响的书，其中有一个错误。在这部书中，冯·诺伊曼“证明”，隐变量理论无法解释量子世界的行为，因此它们是不可能存在的。他实在太著名了，每个人都相信他，而没有去核实他的方程。哦，几乎每个人。一位名叫格雷特·赫尔曼（Grete Hermann）的年轻德国研究人员发现了诺伊曼的推理中的漏洞，并于1935年发表了一篇文章，提醒人们注意这个问题。但他的文章发表在一份物理学家们很少阅读的哲学期刊上，他们只是在很久之后才发现了它。正如我将在慰藉二中说到的那样，尽管冯·诺伊曼的错误并没有完全阻止人们研究“不可能”的隐变量理论，但直到20世纪60年代中期，才有一位物理学家剖析了诺伊曼的观点，说明了它的错误之处，这才让隐变量的理念获得了新生。但此人让隐变量复活一举或许未能让爱因斯坦高兴，因为他的文章同时证明，所有这类理论都必须包括爱因斯坦痛恨的幽灵般的远程作用，人们现在更正式地称这种作用为非局域性。
那位物理学家就是约翰·贝尔，他在欧洲粒子物理实验室［European particle physics laboratory （CERN）］任职，其间前往美国短期工作，可以就他感兴趣的任何课题进行几个月的研究。这次脱离了日常工作所做的短期科研产生了两篇论文，它们改变了有关量子世界中“人人都知道”的情况，其戏剧化程度不亚于波粒二象性发现以来的任何事件。首先，贝尔解释了冯·诺伊曼的观点错在哪里，然后，他说明了应该如何在原则上设计一种实验来检测非局域性效应。更准确地说，这种实验将检验“非局域性”这一假定。在这里，“局域”指的是幽灵般的远程作用不存在，即事物只能在其邻域影响其他事物，邻域的定义是光在某个时间内通过的距离。“真实”是这样一种想法，即确实存在着一个实在的世界，无论有没有人看着它或者测量它。出于量子世界的概率性质，贝尔建议的实验需要测量进入仪器的大量粒子对（如电子对或光子对）。依照贝尔的设计方式，在经过大量实验之后，这个假定的实验将产生两组测量值。如果其中一组的数目大于另一组，则将证实局域真实的假设是有效的，人们称这个比率为贝尔不等式， 称这一套理念为贝尔定理。但如果另一组中的数目较大，则贝尔不等式不成立，意味着局域真实的假定是不正确的。如果量子力学是正确的，贝尔不等式必定不成立。我们将有一个真实世界，其中包括幽灵般的远程作用。或者，我们可以有局域性，但其代价是必须同时承认：只有我们观察得到的事物才是真实的，其他一切都是虚妄。
