量子世界的奇妙探索
量子世界的詭秘總是讓人感到驚訝，超光速現象的普遍存在完全打破了人類固有的宇宙觀。在量子領域的邊緣，物理學家們曾困惑於宇宙基本假設的有效性，最終他們不得不接受，觀測行為才是決定宇宙真實狀態的關鍵。在嬰兒的眼睛裏，世界如夢幻般奇妙，他們興奮地發現，當某件事情被遮擋時，好像那物體就從宇宙中蒸發了，與世無爭，仿佛是憑空出現、憑空消失，給他們帶來無窮樂趣，盡管成人對此卻早已習以為常。隨著孩子們逐漸成長，他們慢慢認識到物體是不會無緣無故消失的。這個關於物體持久存在的概念已經紮根於科學界，幾乎不需要再多加解釋。宇宙在我們的視野之外依然存在，是物理學中一項基本的假設，幾乎所有的科學理論都認為宇宙是獨立於觀察者的存在。這一觀點在物理學上稱為實在論。
量子力學的奇異之處讓一些科學家開始懷疑是否應當放棄這一傳統假設。這個問題成為量子力學誕生初期的重要爭論之一。尼爾斯·玻爾堅定認為，賦予宇宙現實的意義在於觀察行為本身。如果沒有觀測，量子系統只能存在於一種模糊的疊加狀態，也就是所有可能內容的混合。波函數是描述這種疊加狀態的唯一方式，只有透過測量，宇宙才能顯現出確切狀態。這種宇宙有時存在、有時缺失的特性，正是玻爾的哥本哈根解釋的核心觀點。相對而言，艾拔·愛因斯坦堅定不移認為現實是客觀存在的，不會受到觀察行為的影響。他堅信波函數及量子力學自身是不完整的，存在某種隱變量，代表著更加實質的真實。為了反對玻爾的觀點，愛因斯坦與普度斯基、羅森共同設計了一個量子實驗，以說明如果放棄實在論，則必須也拋棄另一個基本概念：定域性。
定域性認為宇宙中的每個點僅能與附近點產生作用，這為相對論奠定了基礎。它限制了因果關系的傳播速度，使其不超過光速。EPR悖論，即愛因斯坦-普度斯基-羅森悖論，引進了量子力學中神秘的量子纏結概念。當兩個粒子短暫相互作用後，它們會相互影響，形成統一的波函數，其中包含了兩個粒子的所有可能狀態。根據哥本哈根解釋，對纏結對中的任一粒子進行的測量，會導致整個波函數的塌縮，從而影響另一個粒子的測量結果。這種影響在理論上可以瞬間跨越任何距離，甚至可以逆時間而行。這不僅違反了定域性，也可能撼動因果律，愛因斯坦等人認為這一觀點過於荒謬。他們堅信每個宇宙點應有其真實而確定的存在，其影響不會超出光速。
那段時間，玻爾與愛因斯坦之間的激烈辯論帶有濃厚的哲學色彩。直到1964年，愛爾蘭物理學家約翰·史超活·貝爾提出了一個實驗，意在解決這些爭論。他利用纏結的電子和正電子對進行實驗，這兩個粒子同時由一個光子產生，總是自旋方向相反。在測量之前，我們無法確切知道粒子的自旋方向，只能確認它們必然相反，因此它們的波函數是纏結的。對一個粒子自旋的測量能揭示出另一個粒子的自旋，無論兩者距離多遠。在量子力學中，測量行為將改變被測量物件。以量子自旋為例，測量影響極為獨特，我們透過轉軸定義自旋方向，而測量時必須選擇一個方向放置測量儀器。我們會發現，被測量的量子總是與我們選擇的方向對齊，若選擇垂直方向進行測量，自旋方向可能是上或下；若選擇水平測量，自旋則可能是左或右。測量仿佛迫使被測量粒子的自旋與測量方向保持一致。
但纏結粒子的自旋方向是如何相互影響的呢？這一答案可能正是解決玻爾與愛因斯坦爭論的關鍵。若愛因斯坦是對的，那麽每個粒子在任意時刻的自旋測量結果，在產生時就是作為隱變量獨自存在，此時我們對其中一個粒子的操作不會影響另一個粒子。隨後再測量兩粒子的自旋，結果將有聯系，它們曾相互作用過，但與我們選擇的測量方向無關。反之，若玻爾是對的，那麽在產生和被測量之間，粒子只以包含所有可能狀態的波函數形式存在。對一個粒子的自旋測量會使整個波函數塌縮為固定值，兩個粒子在我們的測量方向上表現為相反的自旋，這暗示前一個粒子的測量方向與後測量的粒子的實測旋轉方向存在一定關聯。
約翰·史超活·貝爾為此提出了一系列可觀測的結果，即貝爾不等式，旨在證明愛因斯坦的理論或者要求量子力學需要引入定域隱變量。若一個纏結實驗違反貝爾不等式，定域實在論也將被打破。這類實驗實施極具挑戰，因為纏結態的產生和保持都極不穩定，任何輕微的影響都可能破壞其狀態。但在上世紀80年代，法國物理學家阿蘭·阿佩斯取得了突破，他的實驗物件不是自旋纏結的電子和正電子，而是偏振纏結的光子對。偏振即光子電磁場的指向，其原理與自旋纏結相似。阿佩斯的實驗表明，對一個光子選擇的偏振測量方向與其纏結物件最終檢測到的偏振方向存在關聯，此實驗成功違反了貝爾不等式！該實驗甚至設計成使纏結光子之間的作用以超光速傳播，這意味著最基本的速度都超過光速。隨後，許多實驗在不斷擴大的範圍內驗證了這一現象，科學家們甚至在數公裏的距離內觀測到這種瞬時影響。
如今，貝爾不等式的違背已成為鐵一般的事實，這暗示著量子力學中的波函數不存在局域隱藏變量。這是否意味著哥本哈根解釋得到了證實，同時又否定了局域性和實在性的結合？我們是否真的處在一個奇異的宇宙中，當我們轉移視線時，所有事物便融化在量子的無常中？盡管關於纏結的實驗結果看似對局域實在性提出了質疑，或許只是挑戰了局域性或實在性其中之一。貝爾堅信，貝爾不等式的違背僅是否定了局域性，實在性仍舊穩固。非局域性暗示著纏結粒子間存在瞬時的相互作用，這對於任何信奉相對論的人來說簡直是異端。然而，令人驚訝的是，非局域性與相對論竟能夠和諧共存。相對論堅持因果關系，認為資訊無法以超過光速的速度傳播。然而在那些纏結實驗中，並沒有提供任何途徑使資訊在粒子之間轉移。只有在完成測量、比較各自的測量結果時，纏結粒子間的作用才變得顯露，宇宙似乎巧妙地避免了資訊超光速傳遞或時間倒流的謬論。哥本哈根解釋依舊與各項量子力學觀測結果相符，玻爾所描述的宇宙或許就是我們所棲息的真實世界。
視野所及，若我們拋棄局域性，那麽談論隱變量並非不可。例如，或許纏結的粒子透過愛因斯坦-羅森橋（也稱蟲洞）相互關聯，蟲洞允許超光速的即刻作用。還有一種解釋無需犧牲實在性與局域性，即多元宇宙的說法，對那些熱衷於量子世界的人而言，定然不陌生。科學探討的旅程絕不該就此終止，量子世界的奇跡仍在不斷揭示中。
