知乎盐选会员精选文章第 3 集：让爱因斯坦发怒的幽灵
1935 年，薛老师很忙。
除了 N 多前女友和养猫以外，薛老师发现了量子的另一个诡异之处，而当时几乎没有人注意到这个问题。
为了研究微观世界，看看原子核这个大西瓜肚子里都有些什么籽儿，科学家祭出了最强大的武器：粒子对撞机。
欧核中心（CERN）的加速器就是干这个的：
（耗资 1.5 亿美金）
（全长 29 公里，位于地下 100 米）
最常见的现象是：母粒子被撞击后，分裂成两个更小的粒子 A 和 B。
因为能量守恒原理，子粒子能量相同，方向相反。比如说，因为母粒子静止不动，所以分裂后的子粒子 A 向左边飞，B 一定往右边飞，这样才能左右抵消。同理，A 的自旋（角动量）向上，B 的自旋一定向下。
至于具体是向上还是向下，这是个随机事件，必须观测后才能知道。
（自旋态「上」和「下」）
那么问题来了：根据量子理论，在不被观测的情况下，粒子处于多种可能性的叠加态。
举个例子。
就像箱子里那只不死不活的薛定谔的猫一样：A 和 B 这对龙凤胎粒子，自打出娘胎起，他们的性别就没确定，直到有人来看了一眼，这才瞬间分出男女！
然而和薛猫不同的是，箱子里的猫只有一只，孪生粒子却有两个。而且，这两个粒子即使相隔很远很远，叠加态也能保持不变。如同在千里之外，瞬间产生联系……
（地球上的没头脑被妹纸 kiss，火星上的不高兴脸上会留下唇印！）
是时候@爱因斯坦了。
来自幽灵的威胁
大家都知道爱因斯坦创立了相对论。但很少有人知道，大神在 35 岁就已经功成名就（完成狭义+广义相对论），而在之后 40 年的悠长岁月里，他其实都在纠结一件事：量子力学。
曾经，他也是一个集美貌与才华于一身的男子：
（为什么最帅的时候没人认识我）
研究量子力学 30 年之后：
（时间是把相对的杀猪刀）
能让爱因斯坦这种大神级人物「不明白」的，不是深奥的理论和复杂的公式，而是宇宙的意义。
爱因斯坦深信，宇宙在本质上是高度和谐的，这种和谐是可以通过数学之美体现出来的。
所以，一个理论如果不美，倒不是说一定是错的，但它肯定不够本质。
在更高的层面上，和谐，比对错更重要。而量子力学，在爱因斯坦看来，就是一种不和谐（不完备）的理论。
比如，量子力学的核心思想是：
微观世界的一切只能用概率统计来表达，而具体到单个的粒子，它的状态是不确定的叠加态。把这个粒子放大 N 亿倍，就成了薛定谔的猫。
这是第一个让爱因斯坦不爽的地方：量子力学否认了物质的实在性。
爱因斯坦认为，根本不存在薛定谔思想实验中那只不死不活的叠加态的猫。猫的死活在观测之前就是定数，只不过愚蠢的人类看不见箱子里发生的一切，只能推测出「50% 活 or 50% 死」的概率。
你是不是突然有一种，和爱因斯坦英雄所见略同的感觉？
打个不太恰当的比方（给量子打个恰当的比方真的好难！）：
比如，我在知乎的粉丝男女比例是 80:20。
我相信，每个关注我的知友，一定都对自己的性别深信不疑。
然而，那些发明量子力学的疯狂科学家们，他们竟然说：80:20 的比例，说明每位知友的性别是不确定的，见面时 80% 的可能性会变成男生，20% 的可能性变成女生！
因为只有这样我才能解释，为什么线下活动时见面的都是男生，而索要福利的都是女生。至于女生为什么没来，可能是出于一些很简单的原因，比如当天身体不舒服。
仅仅因为我们不知道背后的原因，就认为人的性别是可以按一定概率随机改变的，纯属不切实际的猜想。
这个「背后隐藏的原因」，学名叫作 「隐变量」。
当时包括爱因斯坦在内的很多人都以为，一旦我们揪出了隐变量，量子力学那些混沌不清的阴暗角落，就会被照亮得一览无余。
一个不掷骰子的上帝，一个确定无疑的世界，一个可以被人类的直觉完全理解的宇宙——这就是爱因斯坦的终极梦想。到那时，「薛定谔的猫」之类的奇幻故事，只能给孙子当哈利波特讲了。
（上帝：爱因斯坦不许我玩骰子）
结果，猫的故事还没讲完，薛老师又想了一出「孪生粒子叠加态」，第二次触怒了爱因斯坦大神。
因为这一次，量子力学要挑战的是相对论。
研究微观小世界的量子力学，怎么会和研究宏观大宇宙的相对论结下梁子呢？
这又是薛老师「一不小心」捅下的篓子。
在薛定谔「孪生粒子」的思想实验中，两个相距万里的粒子，观测出 A 的状态，也就知道 B 的状态，因为 A 和 B 都是一个母粒子分裂而成的，B 的状态一定和 A 相反 。
因为 A、B 两个粒子的 命运紧密相连 ，牵一发而动全身，所以薛老师给起了个性感的名字：量子纠缠 。
这就好比如：母亲把一双鞋分给兄弟俩，他们各带一只远走他乡。中国的哥哥打开盒子发现是左脚，就知道弟弟带到美国的另一只一定是右脚。
看上去，这并没有什么稀奇。
稀奇的是，根据量子力学的说法，弟弟那只鞋左还是右，不是他妈决定的，而是哥哥「打开盒子」的行为决定的。在哥哥看到左脚鞋的一瞬间，鞋里飞出一个神秘的信号，闪电般穿过千山万水，通知美国的另一只鞋变成右脚！
这个速度能有多快？
无限快。
但是，上帝允许无限快的瞬时传送吗？
在这个宇宙中，没有东西能超过真空光速。不要说超过光速，就是试图接近光速的行为，都会导致时空的畸变。
（光速飞船，宇宙科幻老梗）
宇宙的尺度是以「亿光年」为单位计的，在恢宏的空间中，银河系一边发生的任何事情，不可能立即对彼岸的世界造成影响。
就算此时此刻太阳爆炸了，我们还能逍遥自在地活 8 分钟，因为 8 分钟后，光才来得及从太阳飞到地球。
通过对粒子 A 的观测，居然瞬间让远方的粒子 B 的量子叠加态塌缩了——这被爱因斯坦斥为「幽灵般的超距作用」。
在严谨的学术界，「幽灵」是一个让人联想起伪科学的词。不存在超光速，更不存在超距作用，因为这是相对论的大前提：局域性。如果量子纠缠允许超光速，那么，是量子力学错了，还是已经被无数次实验证实的相对论错了？
在爱因斯坦看来，这压根不是个问题。
一双鞋，俩兄弟当时分到的就是哥左弟右；两个粒子，在分裂的一瞬间 A、B 的状态就是确定的。尘埃落定之后，你爱怎么观察就怎么观察，为什么要信量子力学那一套「观察决定实验」的鬼话？
只可惜，在量子面前，人类的直觉和常识又一次大错特错。
终极黑客：约翰·贝尔
超距作用（量子）vs 局域性（爱因斯坦），人们曾经以为，这是个永远不会有答案的问题。
因为如果做实验验证，这两者根本没法区分啊！
比方说，先制备一对所谓的纠缠态粒子，然后一个运到北京，一个放在上海。我先测量到上海的 A 粒子自旋向上，然后打电话去问北京的同事：哥们，你那边测下 B 是什么态？
100% 是自旋向下！
爱因斯坦和量子理论都预言，B 的自旋一定和 A 相反。
也就是说，仅凭测量是不可能区分两种说法谁对谁错的，这就好比两个人都赌同一个球队赢，如何分胜负呢？但是不测量，又怎么可能知道它在测量之前是什么？
显然，这个问题无解。
30 年过去，爱因斯坦、玻尔、薛定谔等一代宗师已经成为逝去的传奇，然而还是没有人认真思考过这个问题。
也许这就是为什么，做出这个近代物理学最重要的大发现的人，不是某位著名的教授，而是一位当时还默默无闻的工程师，也难怪当他投稿之后，文章居然被杂志编辑「不小心」弄丢了，拖了一两年才发表。
约翰·贝尔，36 岁提出「贝尔不等式」，欧核中心（CERN）加速器设计工程师，爱因斯坦的脑残粉，业余爱好是研究量子力学的基础理论。
（约翰·贝尔——爱因斯坦的粉丝）
我一直觉得，贝尔不像个正统科学家，更像个「物理学黑客」。虽然和计算机黑客相比，他破解的是原子而非比特；但是，论及思维之独特、技巧之高超、发现漏洞之敏锐，则是有过之而无不及。
众所周知，粒子 A 的自旋一定和 B 相反；但贝尔发现，所有人都忽略了一件事：自旋在三维空间是有 3 个分量的。
A 在 X 轴的自旋分量（Ax）如果向上，B 在 X 轴的自旋（Bx）一定向下，但是 B 在 Y 轴和 Z 轴上的自旋（By、Bz）呢？
如果爱因斯坦的局域性理论是对的，By、Bz 应该和 Ax 一毛钱关系没有，但是用量子力学算出来的结果，却有着微妙的区别：在某些情况下，By、Bz 和 Ax 之间竟存在着微弱的关联！
其他科学家们看到「贝尔不等式」先是嗤之以鼻，接着目瞪口呆，最后是深深的悔恨。这个深藏 30 年的宇宙级 bug，就这样被贝尔这位工程师挖了出来。
贝尔不等式的诞生，宣告了量子局域性之争，从哲学思辨变为实验可证伪的科学理论。
20 年后（1982），法国人阿兹派克特（Aspect）第一个成功验证了贝尔不等式，结论：量子力学获胜，幽灵般的超距作用，是真的！
（阿兹派克特验证贝尔不等式的实验室）
万万没想到，实验结果揭晓之后，最高兴不起来的居然是贝尔本人。原来贝尔是爱因斯坦的忠实信徒，人家下班不约会而去搞不等式的目的，就是为了证明量子力学错了！
之后，贝尔花了大半辈子的时间，试图找出实验的漏洞，直到去世之前还在思考如何修正局域性理论。
当然，这一切并没有什么用。
从阿兹派克特实验至今 30 多年，人们在光子、原子、离子、超导比特、固态量子比特等许多系统中都验证了贝尔不等式，所有的实验无一例外，全部支持量子理论。
如今，除了层出不穷的民科，已经没有人怀疑量子世界的奇异和真实。但很多人还是忍不住会想，贝尔不等式什么的还是太抽象了，能不能亲眼见证量子纠缠的魔力呢？
幽灵成像实验
比起喜欢用数学公式讲道理的贝尔，搞量子光学的史砚华可就实在多了。
我觉得，史教授 2008 年发明的「幽灵成像」，应该是证明量子纠缠绝非幻想的最直观的实验。
请认真看下图：
幽灵成像的原理通俗易懂：先把红光子和蓝光子「纠缠」到一起，然后两者分开各走各路。红光穿过狭缝打出一定形状的图案，蓝光不穿缝正常走。
实验结果绝对震撼：明明没有穿过狭缝的蓝光，竟然也投射出了与红光相同形状的图像！
如果这个实验能够早 70 年做出来，我真想看看爱因斯坦的表情。
这次，你总不能说：光子在纠缠之前就已经是那个形状了吧！
穿缝还是不穿缝，显然是在光子出发后才决定的。发生在红光子身上的所有事，蓝光子也会分毫不差地经历一遍。这样看来，仅仅把量子纠缠比作龙凤胎还远远不够，他们出生时珠联璧合，长大成人之后仍然是生死与共！而且，通过改变红光那边狭缝的形状，想让蓝光打出什么样的图案都可以。
（第一次幽灵成像传送的，是史教授学校马里兰大学的 logo）
这就意味着，我们可以远程发送图像甚至视频，而无论距离多远、哪怕从宇宙的另一端传过来都是瞬时传输的，延迟时间永远为 0。
然而，这岂不是违反相对论（任何信息和物质不能超过光速）的公理了吗？
并没有！
虽然信息是瞬时传送过来了，但要把其中的乱码剔除，提取出真正的内容，还是必须把图像用不超光速的传统方式再发一遍。让爱因斯坦操碎了心的「超光速」问题，原来只是杞人忧天！
大自然就是如此微妙。
宇宙的规则也许看似奇怪，内在却有着惊人的自洽性。
我们只能说相对论和量子力学之间存在着理论上的矛盾，但从来没发现物理规律本身有自相矛盾的地方。
如果把宇宙看作一个产品，最令人细思恐极的是：无论狡猾的人类捣鼓出多么刁钻古怪的实验，这个同时在线用户数高达 10^80（1 后面跟 80 个 0）的产品却从来不会被搞出 bug。
（你什么时候见过宇宙蓝屏重启了？）
如果宇宙真有一个产品经理的话，请收下我卑微的膝盖，顺便想问一个问题是：为什么您的宇宙中会有量子纠缠呢？
量子纠缠背后的秘密
100 年前，量子力学的祖师爷玻尔说：如果谁没有被量子力学惊到，那他肯定不懂量子力学。
爱因斯坦：我思考量子力学的时间百倍于广义相对论，但依然不明白。
造出第一颗原子弹的费曼更直接：没有人懂量子力学！
学了 100 多年的量子力学，今天，我们懂了吗？
墨子号首席科学家、中国量子通信第一人潘建伟说：「如果能搞清楚为什么有量子纠缠，我可以现在去死」，接着潘老师又说：「但是现在还没搞清楚，所以我想活得长一点……」
考虑到潘院士今年才 46 岁，这句话似乎暗示着，我们在 50 年后都不一定能搞懂量子了。
这些牛人说的「不懂」，可不是小学生学不会四则运算的那种「不懂」。我们已经搞清了微观世界的所有基本规则，建立了强大的数学模型，算出来的理论预测和实验结果分毫不差，但我们还只是一个拿到使用说明书的孩子，对于其意义和目的一无所知，莫名地好委屈。
然而现在，越来越多的线索显示，量子纠缠的背后，可能隐藏着一个巨大的秘密。
2013 年，Maldancena 和 Susskind 发现，量子纠缠和虫洞（虫洞即爱因斯坦·罗森桥）在数学模型上非常相似。他们猜想，量子纠缠也许就是一个微型虫洞。
量子纠缠中最神秘的现象「超距作用」其实并没有超越光速，而是像虫洞那样穿越了时空。这就是为什么，孪生粒子能够异地千里，同呼吸、共命运的真正原因。
请认真看下图：
而在 2010 年 Van Raamsdonk 的独立研究中，发现了更为惊人的线索。
他建立了一个类似真实宇宙的三维宇宙模型，一旦在模型中去掉量子纠缠，时间和空间就会被打乱成碎片。
正是无处不在的量子纠缠，像建筑物的钢筋结构件一样，把本应支离破碎的时空编织成了一个整体。
请认真看下图：
在有进一步的实验证据之前，我们无法评价这些猜想有多靠谱。但是令理论物理学家们心跳加速的是，各条独立的线索似乎指向着同一个宝藏。找到它，发现量子纠缠真正的秘密，就有可能理解在开天辟地、宇宙洪荒的大爆炸时刻，宇宙是怎样被建造出来的。
为了传说中的 One Piece ，越来越多身怀绝技的人踏上了量子时代的大航海之路。
有人说：哲学家们总是用各种方式解释世界，但问题在于改变世界。其实，科学和文明的高度，取决于我们对于世界理解的深度。
通过认识和理解世界，猿人把手中的石块换成了自然规律，拥有了改天换日的力量。当一群不食人间烟火的理工男在实验室热烈地争论原子模型时，谁能想到，30 年后广岛在火海中的哭喊？
自从 1900 年普朗克发明「Quantum」这个单词至今，量子终于从哲学辩论会的题材，变成了魔法般的黑科技。
基于量子纠缠，可以造出比现在快 1 亿倍的量子计算机，而超距作用和贝尔不等式，则把量子纠缠变成了加密通信领域的终极武器。
改变世界的时刻真的到了！