2022年,诺贝尔物理学奖授予了阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·蔡林格,原因很简单,他们的实验击溃了“局域现实主义”——即世界是客观存在的、物体的性质独立于观察、任何影响都不会超越光速的理论假设。换句话说,宇宙并不是“局域真实”的。

这件事,爱因斯坦如果地下有知,怕是要气得坐不住了。他一生致力于推翻量子力学的不确定性,坚信自然界必然有一套确定的、合乎逻辑的隐藏变量来解释所有的物理现象。可惜,现实并不如他所愿。
局域性,是说物体的状态只能由其周围的环境决定,不可能瞬间被遥远的地方影响。现实性,是说物体的状态在测量前就已经确定,不取决于你是否去观察它。爱因斯坦坚信这两点,但量子力学的实验一次次给出相反的结论。
问题的核心是量子纠缠。如果两个粒子纠缠在一起,不管它们相距多远,一旦测量其中一个,另一个的状态就会瞬间确定。这看上去违反了因果律,甚至意味着超光速信息传递。
爱因斯坦很早就意识到了这个问题。他与波多尔斯基、罗森在1935年提出著名的EPR佯谬,认为如果量子力学是真的,它就必须是不完备的。换句话说,必须存在某种隐藏变量,在纠缠粒子分开前就决定了它们的最终状态。否则,整个理论就是“鬼魅般的远距作用”,完全不符合相对论的基本原理。
玻尔不这么认为。他坚持认为量子力学就是完整的,没有隐藏变量,粒子的状态只有在测量时才真正确定。两派之争持续了几十年,直到1964年,约翰·贝尔登场。
贝尔不想争论,他要实打实地证明,到底谁对谁错。他提出了贝尔不等式,一种可以在实验室中验证的数学关系。如果世界是局域现实的,那么纠缠粒子的测量结果必然服从这个不等式;反之,如果实验结果违反了贝尔不等式,就说明局域现实主义彻底破产。
这不是纸上谈兵,而是可以拿实验说话的结论。
结果,贝尔不等式被实验一遍遍击穿。从上世纪70年代开始,物理学家们利用光子、电子甚至超冷原子,不断改进实验精度,得出的结论都一样——局域现实主义不成立。
克劳泽在1972年率先做了贝尔实验,他的结果表明,纠缠粒子之间的关联超出了经典物理的预测,违反了贝尔不等式。但实验存在漏洞,比如探测器效率不够高,无法完全排除经典解释的可能性。
阿斯佩在1982年进一步改进了实验。他设计了一种高速随机切换测量方向的方法,确保在光速允许的信息传输范围内,粒子不可能相互“串通”以作弊。结果,贝尔不等式依然被突破。
蔡林格则在1990年代把纠缠实验带到了更远的距离上,并推动了量子信息技术的发展。他的实验表明,纠缠现象可以用于量子隐形传态——在不实际传输物质的情况下,将量子态从一个粒子“传递”到另一个粒子。这为未来的量子计算和量子加密铺平了道路。
这些实验共同给出一个结论:局域现实主义已经死了。爱因斯坦错了,玻尔对了。
但这并不意味着我们能用量子纠缠进行超光速通信。虽然纠缠态的变化是瞬时的,但测量结果仍然是随机的,无法用来传输有序信息。这符合相对论的要求,光速仍然是信息传递的上限。
然而,这仍然是一个物理学上的巨大震荡。一个不以观察者为转移的客观现实,不复存在。
传统观点认为,物体的属性是独立存在的,比如苹果是红的、糖是甜的,无论有没有人去观察,它们的性质都不变。但量子力学告诉我们,事实并非如此。在测量之前,粒子的状态是“未定的”,它们以某种概率存在于不同的可能性中,直到被观察才“坍缩”成一个确定的值。
这不仅仅是科学层面的问题,它对哲学、甚至人类认知都有深远影响。
如果世界的基本构成并不是确定的,而是概率性的,我们如何理解因果关系?如果观测才决定了状态,现实的本质究竟是什么?
爱因斯坦曾说:“上帝不掷骰子。” 但现在看来,量子世界似乎真的充满了概率和不确定性。问题是,这种不确定性到底是客观存在的,还是因为我们对世界的认知能力有限?
科学没有停下脚步。随着量子计算的进展,量子信息技术正在迅速发展。蔡林格的实验不仅证实了量子力学的基本理论,还为量子通信奠定了基础。未来的量子互联网,可能依赖于这种非局域的量子关联,提供超安全的信息传输方式。
但另一个问题随之而来。如果现实不是局域的,那我们的自由意志呢?如果宇宙的基本规则是非确定性的,我们是否真的拥有自由选择的能力?
当年,贝尔曾经提出一个惊人的想法:如果宇宙本身是一个巨大的“量子计算机”,那么所有看似自由的选择,可能都已经在某种更深层次的规则中被决定了。也就是说,真正的决定可能并不发生在我们意识到它们的那一刻,而是在更底层的量子层面已经确定。
这又回到了一个古老的问题:究竟是我们在观察宇宙,还是宇宙在决定我们如何观察它?
无论如何,局域现实主义的终结,标志着物理学进入了一个新的时代。这是对经典世界观的一次彻底颠覆,我们必须接受一个事实:宇宙远比我们想象的更加奇异。