第九章 上帝的判决
上帝玩不玩骰子？
1982年，法国，巴黎，夏秋之交。
第十二届世界杯在西班牙刚刚结束没多久，全法国都还沉浸在不久前的激动人心的比赛中。普拉蒂尼率领的法国队被称之为黄金一代，史上最强，他们一路凯歌高奏，杀入半决赛，在半决赛上遇上了老冤家西德队。90分钟1∶1打平，不分胜负，比赛进入到了加时赛，幸运女神一开始站在法国人这边，特雷佐和吉雷瑟8分钟内连入两球，整个法国开始提前庆祝胜利。然而，具备钢铁意志的德国人此时却开始了绝地反击，第102分钟，鲁梅尼格在禁区内抽射扳回一球。第108分钟，费舍尔用一记精彩的凌空倒勾射门将比分扳平，3比3！法国人还没有在惊愕中回过神来，比赛已经进入了残酷的点球大战。这一次，幸运女神眷顾了德国人，舒马赫扑出对方的最后一个点球，而赫鲁贝什的劲射破门为德国队锁定胜局，法国队止步半决赛。整个法国在比赛结束后整整沉默了5分钟，所有人都不敢相信眼前的事实。
此时世界杯的热潮还没有完全退去，球迷们还夜以继日地在酒吧中谈论普拉蒂尼，谈论点球大战。“只是，他们中没有多少人知道，在不远处的奥赛光学研究所，一对对奇妙的光子正从钙原子中被激发出来，冲向那些命运交关的偏振器，我们的世界，正在接受一场终极的考验。”（引自曹天元著《量子物理史话》）爱因斯坦信奉的上帝正在接受一场终极审判，他信奉的“定域”“实在”的符合“因果律”的经典温暖的宇宙正在接受一次严苛的考验，是浴火重生，披上更为耀眼的金色铠甲呢，还是会被揭下慈祥严谨的面具，突然变成一个阴晴不定，捉摸不透的赌徒呢？
已经过世27年的爱因斯坦的神灵和过世20年的玻尔（量子物理学的奠基人之一）的神灵，也在天国注视着这次实验，他们俩在世的时候，就不断地争论，使得爱因斯坦和玻尔旷日持久的争论成为物理学史上最重要的一段史话。此刻，俩人一见面，老毛病又犯了。
爱因斯坦说：“玻尔老弟，看着吧，这次的实验结果会让你闭嘴的，跟你说过多少次了，上帝不玩骰子。”
玻尔说：“老爱，你也看着吧，这次实验会让你明白这样一个基本道理：别去对上帝指手画脚的！”
这到底是一次怎样的实验？为什么连死人都赶来凑热闹？为什么说这次实验是一次对上帝的审判？要把这些问题回答得让你满意，我们就必须耐着性子回顾一下量子物理学的发展简史，如果说相对论让你对宇宙规律充满惊奇和敬畏的话，那么量子物理学则必定让你对宇宙规律充满茫然和困惑，甚至还会发火，玻尔有一句名言：“如果你不对量子物理学感到困惑的话，那么说明你没有搞懂量子物理学。”
美剧《生活大爆炸》
我们的故事要从美剧《生活大爆炸》开始（大哥，你这次的故事开端是我最喜欢的，顶你个肺），让我们从《生活大爆炸》的第一季第一集的第一秒开始，来重温一下这部经典肥皂剧：
我相信大多数看过《生活大爆炸》的读者们都已经忘记了这位天才剧作家为整部戏的开端设计的台词到底是什么了，或许你根本没有在意当时谢耳朵一边上楼一边唠叨的那些话。下面，让我把经过我改良后的中文翻译（我所看的那个版本中文翻译是一个至少不了解量子物理学的人，把台词翻译得完全不对）和英文原文对照着列出来，我们一起重温一遍谢耳朵在最开始说的话：
So if a photon is directed through a plane
如果一个光子通过有两个狭缝的平面，
with two slits in it and either slit is observed,
只要观察了其中的任意一个狭缝，
it will not go through both slits.
那么光子就不会同时通过两条狭缝，
If it's unobserved, it will.
但如果不进行观察，那它就会同时通过两条狭缝。
However, if it's observed after it's left the plane,
然而，即便光子是在离开平面（狭缝后）后，
But before it hits its target,
在击中目标之前被观察了，
it won't have gone through both slits.
它居然也不会同时通过两个狭缝。
我知道你已经很努力地逐字逐句地又去读了一遍上文的中英文台词，但是你仍然无法完全理解谢耳朵到底在说些什么。知道我是怎么猜到的吗？因为我看到你没有发火，也没有发疯，说明你并没有读懂上面这段台词的真正含义，否则你要么会发火，要么会发疯，至少要感到困惑。
要命的双缝
谢耳朵其实在说的是物理学史上非常非常非常著名的“杨氏双缝干涉实验”，这个实验虽说不如MM实验那样在物理学史上具有分水岭的意义，但我敢跟你保证，凡是任何一本讲量子物理学历史的书籍，这个双缝干涉实验都必定是被提及的，不但是必定提及，而且还会一而再再而三地提及。这个实验最早是在1801年被一个叫做托马斯·杨的英国医生（同时他也是一个物理学家）做出来的，他当时做这个实验的目的是为了向世人证明光是一种波而不是一种微粒，这个实验非常有力地证明了光具有波才具备的自我干涉性质，现在的高中物理都要做这个实验，下面就是杨氏双缝干涉实验的图示：
图9-1杨氏双缝干涉实验
光因为是一种波，所以在通过双缝之后，会发生干涉现象，从而在屏幕后面形成明暗相间的条纹，这个一般具备高中物理知识的人都可以明白，如果刚好你对高中物理忘得差不多了，那么我再把这个明暗条纹产生的原理图画出来给你看，帮助你回想一下：
图9-2双缝干涉实验原理图
麦克尔逊和莫雷也正是利用光的这种自我干涉现象设计了著名的MM实验，试图通过干涉条纹的移动来证明光在不同方向上的速度不同，MM实验最终导致了伟大的相对论的诞生。那么这个看似普普通通，现在每个高中生都做的双缝干涉实验中到底藏着什么玄机，为什么会被谢耳朵念念不忘呢？那是大大的有门道。这个实验刚开始并没有引起物理学界多么巨大的轰动效应，但是随着人们对光、原子、电子的进一步认识，这个实验开始逐步引起越来越多的物理学家的关注，直到最后引发了空前的全“民”大讨论，整个物理学界开始为这个实验抓狂（用抓狂来形容一点都不过分），于是这个实验在它被发现的100多年后再次成为了整个物理学的中心，甚至成了现代量子物理学开端的标志性实验，大物理学家费因曼（就是我们讲时间旅行时提出多历史假说的那位）写道：“双缝实验包含量子物理学的所有秘密。”难怪《生活大爆炸》的剧作者要在第1集的第1秒中就迫不及待地提到它。
这事的起因还要从爱因斯坦说起，还记得那个物理学的奇迹年吗，1905年，爱因斯坦接连发表了5篇传世论文，其中第一篇不是相对论，而是叫做《关于光的产生和转化的一个试探性观点》，我们一般简称为“爱因斯坦的关于光电效应的那篇论文”（貌似一点都不简）。在这篇论文中，爱因斯坦解决了困扰物理学界一个多年的问题，那就是为什么光会在金属上“打出”电子来——光电效应。爱因斯坦的观点认为光是由一个个的“光量子”（简称“光子”）组成，这些光子聚集在一起，表现出波的特性，但是单独来看，它又具备粒子性，这就是现在每个高中生都知道的光的“波粒二象性”。换句话说，光既是粒子又是波，爱因斯坦因为这篇论文在1921年获得诺贝尔物理学奖。
光既是粒子又是波，你在读到这句话的时候不感到奇怪是因为你对“波”和“粒子”并没有感性认识，但是如果我说“XX既是猫又是狗”“XX既是石头又是金子”“XX既是活的又是死的”，你一定会大声说“荒谬”“脑子坏掉了吧”（让我想起了周星驰在《国产凌凌漆》里面的台词“这看起来像只鞋子，其实是个吹风机”）。在上世纪初，许许多多的物理学家听到“光既是粒子又是波”，与你听到“XX既是猫又是狗”时的荒谬感是一模一样的。在物理学家的眼里，波就是波，粒子就是粒子，两者是截然不同的。比如说水波吧，水分子的上下振动引发了波纹，这个波纹只是表示能量的传递，并不是一个真实的客观实在的物体；再比如说声波，也只不过是空气分子振动形成的而已，除了空气分子和传递的能量外，再也没有别的什么东西，水波和声波都不可能是一个个实实在在的小球在水中、空中游来飞去。那时候的物理学家坚信，光如果是一种波，就必然要在一种叫做“以太”的介质中传播，并没有什么真正的客观实在的“光”，它只不过是“以太振动”在人们眼中造成的效应而已。
然而随着各种各样的实验被设计出来，随着理论物理研究的深入，物理学家们终于开始接受，原来波的产生并不是一定要有介质，以太是不存在的，在真空中光波也能转播，而且光波中真的含有数量无比巨大的光子，单个光子的行为看起来就像是一个经典粒子（或者理解为经典的小球）的行为，但是聚集在一起，就形成了波。当这个观点被越来越多的物理学家所接受的时候，突然有人站出来问了一句：“那么请问，在双缝干涉实验中，单个光子到底是通过了左缝还是右缝呢？”
本来喧闹欢庆的场面突然安静了下来，每个人都开始思考起这个问题。很快，物理学家们都意识到，这下好了，物理学的真正麻烦来了，这个问题就像是打开了阿甘的巧克力盒子，从此物理学陷入了迷惘、混乱、猜疑、神秘之中；有人愤怒，有人抓狂，有人绝望，有人欣喜，有人趁火打劫，有人面壁思过；这场混乱一直持续到今天都没有停歇。
“那么请问，在双缝干涉实验中，单个光子到底是通过了左缝还是右缝呢？”
这个普普通通，简简单单的问题到底意味着什么？是什么力量使基础理论物理中经典世界观陷入了万劫不复的深渊呢？让我给你详细解说这个问题对物理学家们的震撼在哪里。
一束光如果只通过一条狭缝，那么在屏幕上不会产生干涉条纹，但是如果通过了两条狭缝，则会产生干涉条纹。我请你想象一下，假如我们把一束光看成是由亿亿万个光子聚合而成，每一个光子就像一个小球（当然光子并不是一个小球的形状，只是打个比方，并不影响我们对问题的探讨），当其中一个光子遇到了狭缝的时候，按照我们朴素的观念，这个光子要么通过了左缝，要么通过了右缝，二者必选其一，但问题是，当一个光子通过左缝的时候，它是怎么知道还有没有另外一条右缝的存在呢？光子只是一个无生命的小球，它可不像人，在快飞到狭缝的时候用眼角的余光扫了一眼就知道边上是不是还有一道缝隙，如果看到还有一道缝我就这么飞，如果没有另外一道缝了，我就那么飞。
你可能还没听懂，没关系，我来画图讲解，这个事情我必须要喋喋不休地说到你完全听明白了才能罢手，这事关整个物理学的理论根基问题，绝不能含糊过去。
现在我们先来在平面上开一条缝，我们看看如果只有一条狭缝的情况下，光子会怎么通过这条单缝：
图9-3光子通过单缝时，随机落在屏幕后面的一片区域内
如果我们做一个简单的实验的话，我们很容易就发现这是所谓光的“衍射”现象，一束光通过一条狭缝照在后面的屏幕上，会形成一片光亮区域，离狭缝越近的区域，就越亮，离狭缝越远的区域越暗。上面这幅图我们就用了一种很直观的比喻，把光子看成一个个的小球，他们通过一条狭缝后，并不是走的直线，而是根据概率分布在屏幕上，中间多两边少。
但是，一旦我们在那条狭缝的边上再开一条狭缝，情况马上会变得很神奇，我们会看到光子就像一支训练有素的军队，排成了整整齐齐的队形。
图9-4 如果是双缝，光子在通过后会规则地排列在屏幕上
这个事情确实有点神奇，光子会排列成整齐的队形也就算了，毕竟可以用波的干涉现象去解释，但是单个光子在通过了左缝的时候如何知道有右缝的存在，通过右缝的时候又如何知道有左缝的存在呢？你要知道，相对于光子的尺度来说，双缝之间的距离就好像从地球遥望月球一样，把这个问题问得更简洁一点，就是：单个光子到底通过了左缝还是右缝？
我怕你还是没有搞清楚这个事情有多怪异，为了保险起见，我再来打个比方，假如你是一个足球运动员，在球门和你之间竖着一道开了双缝的墙，然后你开始对着两条缝射门，你觉得会呈现怎样一幅情景？是不是下面这幅图显示的那样：
图9-5你脑中对着双缝的墙射门的经典场景
但是现在如果脚下的不是足球，而是一个个的光子，结果却呈现出下面这样怪异的图像：
图9-6如果用光子当足球，会射成这样
如果在现实生活中，看到这样的情景，你是不是会觉得太怪异了，就像玩魔术一样，难道这竟然是真的？为什么呢？
玻尔的上帝
以丹麦物理学家玻尔为首的哥本哈根派站出来跟大家解释道：“这个问题本身不成立！光子既不是通过左缝，也不是通过右缝，而是同时通过了左缝和右缝。”注意，这里玻尔可并不是指光子会分身术，一分为二，一半通过了左缝一半通过了右缝，他说的意思很明确，就是指的同一个光子同时通过了左缝和右缝。
对的，你确实没有听错，这确实是从严谨的物理学家嘴里面说出来的话。请相信我，就在你感到莫名其妙的同时，我也跟你一样感到无法理解，量子的所有行为几乎都不是正常思维所能够理解的。按我们常识的理解是，爱因斯坦和玻尔可以同时位于丹麦和德国，玻尔可以今天位于丹麦，明天位于德国，但是如果你告诉我爱因斯坦同时位于丹麦和德国，玻尔同时通过了凯旋门和埃菲尔铁塔，我一定会认为你脑子坏掉了。
当哥本哈根派这么站出来解释的时候，同样也是冒天下之大不韪。全世界的大多数物理学家都群起而攻之，尤其是爱因斯坦，对玻尔连连摇头叹息，说玻尔丢掉了最基本的理性思想。还有某位最激烈的知名物理学家，说如果哥本哈根派的解释是对的，他宁愿改行去当医生，从此不再搞物理了。
你可能会想，大家何必吵吵闹闹的呢？光子到底通过了左缝还是右缝，我们在实验室里面仔细观察一下不就好了吗，与其坐而论道不如实际行动，去做个实验不就知道了吗？你的想法完全没错，物理学家们也都这么想，只是这个实验的难度远远超过你的想象。光子可不是一个足球，天下没有那么强大的摄影机能把光子的飞行轨迹记录下来（爱因斯坦的那个梦毕竟是梦，里面的高速影像记录仪是假想出来的，不是真的），也不能在光子身上绑一个像美剧《24小时》中那样的微型跟踪器，然后利用卫星全天候跟踪。再说得深一点，你想想我们为什么能“观测”到一样东西，照相机、摄像机为什么能把东西拍下来，其本质原因正是物体发射出无数的光子，或者反射出无数的光子，这些光子在我们的视网膜或者底片上产生化学反映，于是被我们“看”到。但如果我们要“观测”的对象就是光子本身，那麻烦可就大了，这个光子本身如果射到我们的眼睛里面来了，那光子就自然不会跑到左缝那里去，也不会跑到右缝那里去了（跑到我们眼睛里面来了）。那有没有可能反射别的光子？很抱歉，不能，别的光子跟它长得一样大，能量一样强，它没有能力把别的光子反射出来而自己的运动又不改变，就好像一粒子弹无法把另外一粒子弹给反弹出去一样。总之要“观测”光子通过左缝还是右缝这个事情，基本上，很难。
但物理学家毕竟是物理学家，他们的智慧不是常人能比的，他们很快发现，光有双缝干涉现象，一束电子流同样也有双缝干涉现象，一束电子流跟光一样具备波粒二象性。要记录和测量电子就要比测量光子容易得多了，因为电子不但有质量，而且带电，大小也比光子大得多。我们大可以在双缝上面各安装一个记录是否有电子通过的仪器，用来“观测”电子有没有通过这道狭缝。大多数物理学家都为了证明哥本哈根解释有多荒谬而不辞辛劳地苦苦改良实验设备，一次次地提高精度，没日没夜地在实验室挥汗如雨，就是为了拿出明确的证据来说明在双缝干涉实验中，电子是确定无疑地通过了某条缝隙。
但结果怎样呢？好在我们的物理学家们都有诚实客观的本性，尽管他们是如此地厌恶哥本哈根解释，但是全世界的物理学家都不得不承认，他们的实验表明：
一旦在狭缝上装了记录仪，他们确实可以观测到电子通过了某条狭缝，但怪异的是，一旦电子被观测到了，双缝干涉条纹也就消失了，如果不去观测，双缝条纹又神奇地出现了。这就好像在那个用光子当足球踢的实验中，一旦有人在某个墙缝上看到了足球，这个足球就不再会整齐地落在网的固定位置，而一旦没有人去看这个足球到底飞过了哪个墙缝，这个足球又神奇地出现在了那些固定的位置上。这事实在是太怪异了，物理学家们怎么也想不通，电子的行为怎么还跟观测有关，一但观测就只通过一条狭缝，不产生干涉条纹，不观测就同时通过（看来只能这么理解了）两条狭缝，留下干涉条纹，这太疯狂了。再打个比方，如果你用一把冲锋瞄准标靶，然后把冲锋枪用装置固定住，让枪自动开枪射击，枪枪都正中靶心。你很满意，于是你换上由电子制成的子弹，再次开枪射击，但是怪异的事情出现了，如果你盯着标靶看的话，枪枪都命中靶心，但是一旦你背过身去，不看靶子，打了一梭子之后，你转头一看，发现子弹以靶心为圆心成散状分布。你以为枪的固定装置出了问题，于是再盯着靶子打一次，但这次又是枪枪命中靶心，当你再次转过头去开枪，又不能枪枪命中了。这事已经远远超出了怪异的范围，简直是让人抓狂。还记得爱因斯坦的世界观的一个中心两个基本点吗？一个中心是“因果律”，两个基本点是“定域”和“实在”。现在“实在”这个爱因斯坦的理想宇宙的基本点遭受了严重的怀疑，这个实验居然再三向物理学家们展示电子的行为跟我们的观测有关，电子似乎不再是一个超脱于我们的意识而存在的“客观实在”，它似乎是为我们而存在，为我们而表演，它的行为被我们“看”与“不看”而左右，爱因斯坦的世界观遭受了第一次最直接的冲击。
以玻尔为首的哥本哈根派此时又站出来跟大家解释说：“实验结果大家都看到了，我们也反复做了电子的双缝干涉实验，结果都是一样的。这说明电子必须符合‘不确定原理’，也就是说电子的运动轨迹是不确定的，它的运动轨迹不能用一根线来表示，只能用一朵概率云来表示。我们在观测之前永远无法说出电子的确切位置，我们只能说出它在某一个位置的概率，当我们观测到电子以后，电子虽然处于确定位置，但是这个电子是怎么到这个位置的，通过什么路径来的，我们仍然不可能知道，事实上这个电子同时存在于那朵概率云中的所有位置。而且，我们对电子的位置测量得越精确，对它的速度就必然测量的越模糊，我们的测量行为本身就会影响电子的运动，反之我们对它的速度测量得越精确，对它的位置就必然测量得越模糊。换句话说，我们永远不可能同时知道一个电子的位置和速度，因此不确定原理也可以叫做‘测不准原理’”。
如果牛顿地下有知，听到了玻尔的这段话，必然会从地底下蹦出来大骂玻尔离经叛道。牛顿是坚定的决定论者，他认为只要知道了某一时刻的所有信息，就能预言未来发生的一切，现在玻尔很无情地告诉牛顿，对不起，你连最基本的速度和位置信息都是永远无法同时准确地知道的，又何谈计算和预测呢？爱因斯坦也第一个站出来反对说：“玻尔先生，很抱歉，本人实在不喜欢你们的这个解释，没有确切的运动轨迹，只有概率，这叫什么解释！你以为上帝是一个喜欢掷骰子的赌徒吗？时间和空间都被你们拿到赌桌上来碰运气了！”
双缝实验做到这一步已经够疯狂的了，居然引出了一个“不确定性”原理，物质的最基本构成——电子，以及所有跟电子差不多大小的基本粒子的行为都是不确定的，我们要么只能知道它们在什么地方，要么就只能知道它们的运动速度，想同时知道两样，想都别想。但接下去的实验进一步告诉我们这样一个道理：在量子的世界，没有最疯狂，只有更疯狂。全世界的物理学家们又几乎同时发现了一个更“恐怖”的结果：哪怕你是在电子已经通过了双缝之后再去观测电子实际通过了哪条狭缝（这里的原理就比较复杂，我们不需要去搞清楚具体是什么样的观测手段，总之你只要知道物理学家们有巧妙的方法可以观测），只要一观测，干涉条纹就消失了，也就是说哪怕你在电子通过了双缝之后再观测，电子也不再同时通过双缝，而只要不观测，电子又同时通过双缝，让电子同时还是不同时通过双缝是可以在电子实际通过以后再决定的。
诡异，诡异，真是太诡异了！这个实验结果直接违背了爱因斯坦信仰的“因果律”，本来事情的原因影响结果，结果是原因导致的，现在好嘛，我的事后观测行为居然影响到了电子之前做出的选择，这岂不是变成了结果影响原因了吗？难道历史是可以改变的吗？（费因曼辩护说不是历史可以改变，而是历史本身就是有无数个，可能发生的历史实际上都已经发生了。很多人听完当场昏厥在地。）严重违背因果律，严重离经叛道。
玻尔为首的哥本哈根派又站出来解释说：“在我们看来，没有什么真正的因果，只有‘互补原理’，原因和结果是一种互补关系而不是先后关系，你我既是演员又是观众，观测者和被观测者互相影响，形成互补关系，原因会影响结果，结果也一样会影响原因。”
爱因斯坦这次是真的坐不住了，他写了一系列的文章，还在公开的会议上和玻尔辩论，他讥讽玻尔已经从一个物理学家变成了一个形而上的哲学家，玻尔的理论哪里像是一种物理学嘛，简直就是一种哲学，还是带伪字的。爱因斯坦虽然对实验结果也同样感到震惊，但他认为一定会有一个温暖的符合经典世界观的理论去解释这些现象，只是我们还没找到这个理论罢了。另外，他对物理学家的实验方法也提出了一些质疑，认为所有的实验结果只能作为一种统计近似，并不是直接的证据证明自己所信仰的“因果律”和“实在性”被颠覆了。
但不管怎么说，一个双缝干涉实验，对爱因斯坦的一个中心两个基本点中的两项都造成了严重的冲击，难怪整个物理界产生了大混乱，从此狼烟四起，天下不再太平。你要知道，这世界的所有物质从本源上来说，都是由基本粒子，也就是量子构成的，如果量子是不确定的，那么是不是由量子构成的我们也是不确定的呢？最惊人的一次实验是在1999年由一组物理学家在奥地利做的，他们用60个碳原子组成了一种叫“巴基球”的东西，用这个巴基球来模拟双缝实验，结果他们同样得到了神奇的干涉现象。现在的科学家们设想用更大的病毒来做双缝实验，病毒从某种意义上来说，已经是生命体了，它们或许具备“意识”，不知道他们会如何体验这种同时通过双缝的感觉。此时，我再把谢耳朵的话打出来给大家回顾一下，你是否能看懂谢耳朵的唠叨了呢？
So if a photon is directed through a plane
如果一个光子通过有两个狭缝的平面，
with two slits in it and either slit is observed,
只要观察了其中的任意一个狭缝，
it will not go through both slits.
那么光子就不会同时通过两条狭缝，
If it's unobserved, it will.
但如果不进行观察，那它就会同时通过两条狭缝。
However, if it's observed after it's left the plane,
然而，即便光子是在离开平面（狭缝后）后，
But before it hits its target,
在击中目标之前被观察了，
it won't have gone through both slits.
它居然也不会同时通过两个狭缝。
这次我相信你一定看懂了，不但看懂了，而且开始感到抓狂了，很显然，我们每个普通人心目中的那个朴素的宇宙观受到了冲击。我们的这种感情和爱因斯坦是一样的。但好在，爱因斯坦还保有自己最后一块神圣不可侵犯的领地，那就是“定域”性，这个宇宙是定域的，不存在什么超光速的信号，光速是一切运动速度的极限，两个事件之间想要产生相互影响，必然不可能突破光锥所划定的时空范围。
然而事情真的像爱因斯坦认为的那样吗？这最后一个定域性的堡垒真的有那么坚固吗？这事的起因还得从爱因斯坦说起。
EPR实验
1935年5月，爱因斯坦同两位年轻的美国物理学家波多尔斯基和罗森塔尔在美国《物理评论》47期发表了题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》的论文，在物理学界、哲学界引起了巨大的反响。
这篇论文提出了一个名垂千古的思维实验，以论文的三位联合作者的首字母命名，被称之为“EPR实验”。正如这篇论文的标题所表达的意思那样，爱因斯坦想用这个思维实验来告诉物理学界，哥本哈根的量子力学解释是有问题的。这个实验简单说来（注意，我在这里把它通俗化了，略去了很多的术语和数学公式，但是精髓是没错的，表达的思想也是准确的）是这样的，想象一下，如果有一个基本粒子在空中飞着，突然，在某一时刻因为某种外力一分为二了，分裂成了两个更小一点的A粒子和B粒子，于是A，B两个粒子就分开了，而且越飞分开得越远，当他们分开得足够远的时候，我们去观测A粒子的“自旋”（基本粒子都有自旋的特性），我们可以确定其自旋的方向。此时，根据大家都公认的某个守恒公式，我们可以知道，A粒子如果是“左旋”的，那么B粒子必定是“右旋”的，否则就会违反守恒，这是不可想象的。那么我想请问玻尔先生，如果量子（量子就是所有基本粒子的统称）的运动按你们的所谓“不确定原理”讲的，在我们观测A粒子之前，是不确定的，那么A粒子的自旋方式一旦确定是“左旋”的时候，B粒子是怎么知道自己必须是“右旋”的呢？他们之间难道会有超光速的信号在通信吗？还是说，你要用神秘主义的语气告诉我说两个量子之间存在某种“心灵感应”呢？不能自圆其说了吧，傻眼了吧？让我来告诉你吧，唯一的可能性就是，这个基本粒子在分裂的那一霎那，A，B粒子的自旋方向就是已经确定了的，不管我们观测到A粒子是左旋还是右旋，这个观测行为并不会影响到A，B粒子早就已经确定了的自旋方向。玻尔先生，如果你想证明你的不确定性原理是正确的，请先帮我把超光速这个事情解释清楚吧，请先推翻我的狭义相对论吧。
大家要知道，在讲出上面这番话的时候，已经是狭义相对论发现20年后了，狭义相对论已经得到了无数严苛实验的验证，是久经考验的坚强战士，没有人再怀疑它的正确性。玻尔在听到这个EPR实验之后确实大吃一惊，据说茶饭不思好多天，隔了几个月他终于出声了，他居然以同样的标题写了一篇论文，来回应爱因斯坦们的挑战，简单说来（抱歉我只能简单说来，复杂了我也说不来），玻尔说狭义相对论我是不反对的，但是这里面的关键问题在于，粒子A和粒子B在你爱因斯坦看来是不同的两个粒子，但是在我玻尔眼里，它们从未分开，它们仍然是一个完整的整体，不论它们相隔得有多远，他们都是一个整体，两个量子是难分难解地纠缠在一起，组成了一种量子纠缠态，这种纠缠与空间距离无关，哪怕它们分别位于宇宙的两端，它们也是纠缠在一起的。因此，它们之间根本不需要什么超光速信号，它们就能确保达成一致，一个左旋另外一个必定右旋，在我们观测之前去讨论它们俩到底是左旋还是右旋是“没有意义”的，我们只能认为它们俩同时处在左旋和右旋的两种状态中，观测行为本身就是结果的一部分，没有观测这个行为就不会有左右旋的结果。
玻尔的这个回答不但没能让爱因斯坦信服，还让爱因斯坦大大地生气，好嘛玻尔这小子，他虽然没有反对我的相对论，没有承认超光速，但是这小子其实放弃了物理世界的客观实在性，这是唯心的，是形而上的哲学，是我不能容忍的，上帝被玻尔当做什么了！
爱因斯坦和玻尔都急切地盼望实验物理学的高手们能把这个EPR实验真的做出来，互相都想让对方心服口服。但是，这个实验说起来容易，做起来可是难如上青天啊。最难的倒不在于检测量子的自旋状态，因为很多基本粒子都带电，自旋的方向是可以被检测出来的。但是最难的却在于如何确定“左”还是“右”，你可能一下子没想通，茫然地问我，这很难吗？是的，相当之难，而且几乎没可能，现在我请你想象一下，如果你手里面有两个白色的球，注意是纯白色的，上面任何标记都没有，这两个球不论从什么方向什么角度看过去都是一模一样的，现在你把这两个球平放在手里面，让它们一个逆时针转动，一个顺时针转动，然后，你把这两个球随手这么往外扔出去，有人捡到了这两个球，你想一想，那个人能判断出这两个球当初在我手上的时候是同方向转动的还是反方向转动的？很显然是不能的，原因是我们这个世界是一个三维的世界，两个球在扔出去的过程中不知道翻了多少个跟头，也不知道是怎么个翻跟头法的，等到了别人的手里的时候，谁知道两个球到底怎么个翻滚过了呢，球上又没有任何的标记，不管从哪个方向上看过去都是一样的，所以在别人手里的时候，在那个人的眼里看来，这两个球的自旋方向有可能是朝着任何方向的。
宇宙大法官
这个事情确实很烦，量子在空中怎么翻滚是不可能观测到的，即便我们看到了结果，也猜不出开始，很多实验物理学家都非常苦恼，他们绞尽脑汁地想要找到解决方案，但是苦苦寻觅了几十年，都没有找到。直到出现了一个英国数学奇才，他的名字叫贝尔（注意不是发明电话的那个贝尔，是另外一个在电话贝尔死后出生的贝尔），他发现了一个数学“不等式”，这个不等式被科学界称为“贝尔不等式”，被誉为“科学中最深刻的发现”。这个惊天地泣鬼神的“贝尔不等式”有一个巨大的魔力，这个魔力可以对我们这个宇宙的本质做出终极裁决，它可以使EPR实验从思维走向实验室。只是很遗憾的是，贝尔不等式发现的时候，爱因斯坦和玻尔都过世了，他们只能在天国注视着人间发生的一切，他们过去耗费了无数个不眠之夜来研究分析、一直还悬而未决的世纪大争论，很快就要有一个终极判决了，爱因斯坦和玻尔在天国想必也在肃然起立，等待着那个庄严的时刻吧。让我们先来看一眼这个神奇的贝尔不等式：
|Pxz－Pzy|≤1＋Pxy
有心的读者估计要跟我抱怨了，说你前面承诺过再也不出现一个数学公式的，怎么又搞出这种让人看了头大的东西来了。
哦，哦，哦，亲爱的读者们，为了这个科学中最深刻的发现，请原谅我一次吧，这个贝尔不等式太重要了，它是审判我们这个宇宙本质的大法官，怎么着也得让我们一起认识一下吧，下面我给你解释一下这个不等式的含义。
绝对值符号（| |）不用我解释了吧，初中就学过了。小于等于符号（≤）也不用我解释了。
下标X，Y，Z代表着在空间中朝着x、y、z三个方向去测量的意思，也就是说我们拿到一个小球，可以从正面看过去，也可以从侧面看过去，也可以从上面往下看，总之取三个固定的方向看过去，记作x、y、z。
然后就是要解释一下这个P是什么意思了，这个P叫做“相关率”，一个让你费解的名词，没关系，我解释一下，很好理解。看过金凯利演的电影《楚门的世界（Trueman Show）》吗？里面有一个让人难忘的经典镜头，楚门坐在车里看着车窗外的世界，然后嘴里念念有词，朋友过来问他你在看什么呢，楚门说注意，很快就会有一个抱着花的女人经过我的面前，然后一分钟后，必定会有一辆黄色的甲壳虫小汽车开过，我今天已经观察了一天了，绝对是这样的，不信我们等着。结果果然如楚门预言的那样，把他朋友吓坏了。在这个镜头里，女人的出现和汽车的出现，这两件事情的相关率就是1，也就是只要女人出现，必定就会有一辆汽车出现，这事板上钉钉，绝不会错。相关率就是A事件出现和B事件出现之间的相关联程度，如果是0，表示完全没关联，如果是50％,则表示A事件出现10次，有5次会出现B事件。那么这个Pxz代表什么意思呢？就是说我们从X这个方向去测量量子的自旋状态和从Z这个方向去测量量子的自旋状态，得到的结果的相关率。在这里请注意一点，量子的自旋并不是真正的“左”和“右”，量子本身也不是一个小球，它的自旋其实是“正”和“负”这样的概念，当然其实也不是严格意义上的正负，总之说起来太复杂，我们没必要去搞得那么清楚，总之只要知道是两种相对的状态即可。比如说，飞过来10个量子，我从x方向测量过去和从y方向测量过去有8次都是同为正，那么我就认为Pxz＝0.8，我们可以认为同为正是相关，也可以认为一边正一边负为相关，这个都无所谓，只要所有的标准都一致就可以。
了解了P的概念后，我们就很容易理解贝尔不等式了，它的意思就是如果飞过来一个量子，我们从x、y、z三个方向去测量这个量子的状态，最后计算各个方向的相关率，不管我们测量多少个量子，其最终的结果必然要符合以上的贝尔不等式。
这里我要特别特别说明的是，贝尔不等式是用严格的数学手段推导出来的，数学是凌驾于物理学之上的规律。这个贝尔不等式在EPR实验中的含义是说：如果两个量子是在分开的那一瞬间就已经决定了自旋的方向的话，那么我们后面的测量结果必须符合贝尔不等式。也就是说，假如上帝是爱因斯坦所想象的那个不掷骰子的慈祥老头子，那么贝尔不等式就是他给这个宇宙所定下的神圣戒律，两个分离后的粒子决不敢违反这个戒律，其实这根本不是敢不敢的问题，而是这两个粒子在逻辑上根本不具备这样的可能性。如果我们测量的结果不符合贝尔不等式，那么只能说明两种可能：1．真有超光速的信号存在，两个量子之间瞬间可以互相知道对方的状态。2．量子的自旋状态不是一个客观实在，在我们观测之前不存在确定的状态，只有我们观测之后状态才确定。
上帝的最终命运取决于EPR实验中量子的各个方向上自旋状态的测量结果，如果贝尔不等式是仍然成立的，那么爱因斯坦就会长吁一口气，这个宇宙终于回到了温暖的、经典的轨道上。但如果贝尔不等式不成立了，则上帝就摘下了慈祥的面具，变身为靠概率来玩弄宇宙的赌徒。用科学的语言来讲的话，那就是要么放弃“定域性”要么放弃“实在性”，这两个不可能兼得，到底要放弃哪个，你自己选择，但你必须放弃一个。
这里特别有意思的是，贝尔是爱因斯坦的忠实拥护者，当他发现了贝尔不等式后，他兴奋不已，踌躇满志，他信心满满地认为：只要安排一个EPR实验，用我的贝尔不等式就可以恢复物理学的光荣，恢复到那个值得我们骄傲和炫耀的物理学，而不是玻尔宣扬的那个玩弄骰子的上帝，物理学已经被玻尔们的量子理论搞得混乱不堪、乌七八糟，现在整个天下都乱了，冒出来各种形形色色的搞不清是物理学家，还是哲学家，还是神秘主义者的人，什么超光速、量子心灵感应、多个历史、多个宇宙、结果决定原因……我已经厌倦了这些疯狂的想法，是该做个了断了。
真的，也许就差那么一小步，真的只有一小步，我们就可以回到温暖经典的宇宙怀抱了，我们多么渴望上帝是一个慈祥的老头子啊。但是，当年麦克尔逊为了证明以太存在的悲剧又在贝尔身上上演了。
上帝的判决
1982年，法国奥赛研究所。
人类历史上，首次对EPR实验进行了真正意义上的实验检测，这次实验被称为“阿斯派克特实验”，以这次实验的领导者阿斯派克特命名。这次实验总共进行了3个多小时，两个分裂的量子分离的距离达到了12米，积累了海量的数据，最后的结果与量子论的预言完全符合，爱因斯坦输得彻彻底底，从此EPR实验也被称之为“EPR佯谬”。
从阿斯派克特开始，全世界各地的量子物理实验室就展开了一直持续到今天的EPR实验竞赛，实验精度越来越高，实验的原型越来越接近爱因斯坦最原始的想法，两个量子分离的距离越来越远，而且不光是两个量子的纠缠态，甚至多达6个量子形成纠缠态。2010年全国的各大报纸都出现了一条报道，说是中国首次把EPR实验的距离扩展到了16公里，取得了世界第一。鉴于中国媒体的一贯特性，我不愿多作评论，你们都懂的。但是看看各地的不同报纸的报道，还是感到很好笑，很多科盲记者完全不了解什么是EPR实验，随意地凭空捏造各种骇人听闻的词，什么“超时空穿梭”“超光速通信”“时空穿越”……真是看得我汗如雨下。中科大的潘建伟教授是EPR实验方面的佼佼者，也是中国在这个研究领域最出名的，当然他的出名不光是因为在国际级期刊上发表了很多很多的论文，也因为所谓的“潘建伟事件”，但是笔者只是一个喜欢科普的平头老百姓，完全无法评判这些是是非非，还是回到我们的主题吧。
EPR实验的结果无可辩驳地呈现给整个物理学界一个这样的事实：要么放弃定域，要么放弃客观实在。定域性是经受100多年严苛考验的伟大的相对论的推论，而客观实在则是似乎不应该值得挑战的科学精神（难道真要相信意识决定物质吗？），如果是你，你会怎么选择呢？我看你可能最好奇的是那个发现贝尔不等式的可怜的贝尔到底会做出怎样的选择。
还真有这样的好事者，一个英国很著名的科普作家访问了包括贝尔在内的8位物理界最知名的物理学家，想听听他们怎么看待这次“上帝的判决”，最后出版了一本叫做《原子中的幽灵》这本书，我没有看过，但是从网上搜索来的零星的信息拼起来的结果看，似乎愿意放弃定域而保留客观实在的科学家多一点，但多得不多，那个可怜的贝尔在被逼急了以后只好表示如果非要放弃一个的话，他只能放弃定域了，但他仍然试图想说或许不用两个都放弃。
也有很多物理学家津津乐道于观测者的作用，也就是我们人类本身对量子状态的作用，从意识谈到了精神，这样的物理学家还真不少呢。但不论从哪个角度说，要让物理学家们放弃其中任何一个都是件极其痛苦的事情。但是我要特别提请读者注意一点，EPR佯谬只是证明了定域和实在不可能同时正确，但是并没有证明有超光速的信号存在，这是不同的两个概念，如果愿意放弃实在性，则相对论依然是牢靠的。
量子这种纠缠态也被称之为量子的超隐形传输，可以用来做通信的加密，但是能不能用来做超光速的通信，这是没有定论的，在理论界也是没有统一说法的。而我国各大报纸曾经头版报道的我国做的量子超隐形传输实验把量子通信说得神乎其神，肆意夸大渲染。其实目前的理论也仅限于单向超光速传输的理论可能性，要知道通信是必须双向的，我们都要理智冷静地看待这个问题。到目前为止，相对论仍然是我们这个宇宙最可靠的理论之一。
物理学走到今天，已经大大出乎了牛顿和爱因斯坦们的预料，它逐渐在人们的眼前显现出这样的一幅图景：
图9-7 目前我们的物理学的图像
在常规尺度下面，我们用牛顿物理学就足够了，但是随着尺度的不断增大，尤其是扩展到了宇宙尺度的时候，就必须要用相对论来解释宇宙万物的规律。随着尺度的不断缩小，到了量子的世界，就必须要用量子理论来解释了，而且是尺度越大相对论的预言与实际观测结果越符合，尺度越小量子理论与实际观测结果越符合。但是要命的是这两大现代物理学的基础理论似乎是不相容的，它们不可能同时正确。在某些说不清楚是大还是小的尺度的地方，比如说黑洞的内部，宇宙大爆炸的奇点，都是质量巨大，但是体积微小，在这种时候，不论用相对论还是量子物理都会得到一些根本不可能正确的结果，例如“质量无限大”“密度无限大”“概率无限大”等等，在物理学中出现无限大这样的数学概念本身就意味着理论出错。相对论是如此的简洁、优美，并且经受住了近百年的风霜洗礼，它已经俨然成了人类智慧的丰碑。而量子理论，从一出生就很不遭人喜欢，所有的原理都是那么诡异，那么的让人难以想象。然而正是这个诡异的理论造就了我们今天这个信息时代，不论我们喜欢还是不喜欢，凡是你身边有芯片的东西，从手机到电脑都离不开量子理论，没有量子理论我们根本不可能像今天这样通过互联网与整个世界联通，量子理论在实际生活中被的应用的数量早就百倍、千倍于相对论。
请各位读者务必记住，我们必须小心翼翼地使用“推翻”“颠覆”这样的字眼来描述新旧理论之间的关系。在某些特定场合下为了吸引眼球，我们偶尔这么说说是可以的，但你真想表达自己发现了一个新理论时，你最好不要说你推翻了旧理论。我们可以看到，相对论是对牛顿理论的修正，在常规尺度下面，相对论就会退化为牛顿理论，量子理论也是同样的情况。而且，以后出现的新理论也一定是对相对论和量子理论的修正，这两大理论也一定是新理论的近似理论。以后你凡是看到有人宣称牛顿理论和相对论都错了，已经被他推翻了，这种文章你基本看个开头就不用再看下去了，这绝不会是真正的物理学家写出来的东西。
万物理论
现在要命的是，相对论和量子论这两位久经风霜、战功赫赫的战士从本性上来说是水火不相容的，他们之间的鸿沟无法跨越。那么，有没有一个能兼容相对论和量子物理理论的崭新理论呢？物理学家坚信，这种理论是否存在不是一个值得争论的问题，那是肯定存在的，我们要想的应该是如何找到它，而不是去怀疑它的存在性，这个包容了相对论、牛顿物理、量子理论的新理论，物理学家们给它起了一个名字，叫做“T. O. E.”也就是英文“Theory of Everything”的首字母简写，也就是“万物理论”。这个TOE能够解释我们已知的所有尺度的物理现象，而且不管是牛顿物理还是相对论还是量子物理都是这个万物理论的近似理论：
图9-8 万物理论
这就是谢耳朵他们这一代的理论物理学家孜孜不倦、梦寐以求的理论，无数物理学家已经为此付出了几十年的辛勤努力，而现在我们所处的这个时代，似乎又是一个创世纪的时代，万物理论的尾巴似乎已经被我们揪到了。
我们正生活在一个狼烟四起、天下英雄辈出的年代，物理学的又一个黄金时已经到来，错过了这个时代的未来物理学家在翻看今天的物理学史的时候，那种感叹可能就如同我们现在看上世纪初那些激动人心的物理大发现的日子。
万物理论到底离我们还有多远？真实的宇宙到底是什么模样？我们这个世界的本源到底是什么？我们何以会存在？我们的宇宙将通向何方？这一切有答案吗？
或许，正如现代的物理学家们告诉我们的那样：我们的宇宙真的是一首气势恢弘的交响乐，我说的是真的，不是比喻。
请看下一章，全书的压轴大戏即将上演。