一見鐘情！這是吉桑（Nicolas Gisin）初次接觸到貝爾（John Bell）的理論時(shí)所說的話。聞知其感受，我的腦海中也浮現(xiàn)出1974年秋日里自己沉迷于貝爾論文時(shí)的情形。盡管這篇論文在當(dāng)時(shí)鮮為人知，我卻完全明白，這將會是通過實(shí)驗(yàn)方式詮釋量子力學(xué)，解決玻爾（Niels Bohr）和愛因斯坦（Albert Einstein）分歧的關(guān)鍵！在當(dāng)時(shí)，即便有些物理學(xué)家已經(jīng)知道愛因斯坦、波多爾斯基（Boris Podolsky）和羅森（Nathan Rosen）提出的EPR佯謬，卻很少有人聽說過貝爾不等式，更別說去關(guān)注量子力學(xué)的基礎(chǔ)概念了。1935年發(fā)表在《物理評論》（Physical Review）上的EPR佯謬論文，在一些大的圖書館里很容易查閱到。而貝爾的那篇論文就沒有這份幸運(yùn)了它躺在一份不為人知的新期刊上，而那份期刊僅發(fā)行了四期便遭遇了停刊的噩運(yùn)。在那個(gè)沒有互聯(lián)網(wǎng)的年代，那些沒有發(fā)表在主流期刊上的論文只能借助復(fù)印機(jī)進(jìn)行傳播。在希莫尼（Abner Shimony）的一次來訪中［受德帕尼亞（Bernard d Espagnat）邀請?jiān)L問奧爾賽］，我得到了貝爾那篇文章的復(fù)印件復(fù)印自光學(xué)研究所（Institut d Optique）的年輕教授英伯特（Christian Imbert）所整理的文件。沉浸在貝爾帶給我的震撼中，我決定將自己的博士學(xué)位論文聚焦于對貝爾不等式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，而英伯特教授也歡迎我在他的麾下工作。在貝爾清晰無誤、讓人印象深刻的論文中，我找到了實(shí)驗(yàn)者將面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)： 當(dāng)糾纏的粒子（entangled particle）從放射源發(fā)射到測量區(qū)域時(shí)，如何改變偏振檢測儀的方向？解決這一技術(shù)難題的關(guān)鍵是： 借助相對論基本原則，即物理效應(yīng)不能以超光速傳播，我們可以避免改變偏振檢測儀方向?qū)αＷ臃派錂C(jī)制或測量方法所造成的影響。通過這樣的實(shí)驗(yàn)，我們可以精確地檢驗(yàn)兩種互相沖突的理論到底哪一個(gè)是正確的： 是玻爾的量子力學(xué)還是愛因斯坦所堅(jiān)守的局域?qū)嵲谡摚╨ocal realism）？局域?qū)嵲谡摪�含兩個(gè)基本原則。首先，系統(tǒng)存在物理實(shí)在（physical reality）；其次，局域性假設(shè)（locality assumption）成立，即由于相對論基本原則，一個(gè)系統(tǒng)不會被遙遠(yuǎn)空間外的另一個(gè)封閉系統(tǒng)內(nèi)所發(fā)生的任何事情立即影響。最終，實(shí)驗(yàn)證明量子力學(xué)是正確的，并迫使大多數(shù)物理學(xué)家放棄了愛因斯坦所竭力維護(hù)的局域?qū)嵲谡�。但是，我們是否就要因此拋棄�?shí)在論(realism)或者局域論(locality)呢？放棄物理實(shí)在的論點(diǎn)無法把我說服，因?yàn)槲矣X得物理學(xué)家的使命在于精確地描述這個(gè)世界的實(shí)在，而不僅僅是預(yù)測測量儀器上所呈現(xiàn)的結(jié)果。不過，倘若量子力學(xué)在這方面被證實(shí)了（時(shí)至今日，這看似已經(jīng)確鑿無疑），我們是否該認(rèn)定，這個(gè)明顯與愛因斯坦相對論準(zhǔn)則相違背的非局域相互作用（nonlocal interaction）是存在的呢？我們能否利用這種量子非局域性（quantum nonlocality）來傳輸有用的信號，比如，以超越光速的速度來點(diǎn)亮一盞燈，或者在證券交易所下個(gè)訂單？但是，我們還不得不受量子力學(xué)另一特性的制約，即基本量子非決定論（fundamental quantum indeterminism）。這個(gè)理論認(rèn)為，在任何具體實(shí)驗(yàn)中，我們都不可能左右實(shí)驗(yàn)的實(shí)際結(jié)果，盡管通過量子力學(xué)我們可以預(yù)見到可能出現(xiàn)的各個(gè)結(jié)果�？梢源_定的是，量子力學(xué)雖然可以對實(shí)驗(yàn)中各種可能結(jié)果的概率進(jìn)行極其精確的計(jì)算，但是這些概率僅在相同實(shí)驗(yàn)多次重復(fù)時(shí)才有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的意義。正是這種基本量子隨機(jī)性（fundamental quantum randomness）禁止了信息的超光速傳播。在許多介紹量子物理最新進(jìn)展的科普讀物中，吉桑的這本書清晰地強(qiáng)調(diào)了基本量子隨機(jī)性的關(guān)鍵地位。比如，如果沒有基本量子隨機(jī)性，有朝一日我們可望設(shè)計(jì)出超光速電報(bào)系統(tǒng)！假使我們能發(fā)明出這種只有科幻小說里才有的神秘裝置，就不得不對以前所有的物理理論進(jìn)行一次徹底的修正。我不認(rèn)為有什么不可觸碰、無法更改的物理理論。恰恰相反，我本人一直堅(jiān)信，任何物理理論都有可能被適應(yīng)領(lǐng)域更廣闊的理論所取代。然而，如果要修改一些基石理論，就會引發(fā)一場真正意義上影響深遠(yuǎn)的物理觀念變革。雖然人類歷史中出現(xiàn)過幾次非同凡響的觀念變革，但這些根本上的觀念變革是極其罕見和震撼的，人們不能輕易希冀這樣的奇跡時(shí)刻會再次發(fā)生。盡管非局域性量子物理充滿了奇特之處，吉桑也未曾推翻愛因斯坦相對論中禁止超光速傳播的基本法則。我覺得這是本書很值得注意的一個(gè)重要特征。在上述問題上，本書堅(jiān)持如此獨(dú)特的立場而不是跟著其他科普圖書人云亦云，這一點(diǎn)也不讓人驚訝。原因是，吉桑在20世紀(jì)最后25年那場量子理論革命中是一位關(guān)鍵人物。第一次量子革命于20世紀(jì)初開始，標(biāo)志是波粒二象性的發(fā)現(xiàn)。我們因此能極其精確地描述構(gòu)成物質(zhì)的原子，形成金屬、半導(dǎo)體內(nèi)電流的電子云以及構(gòu)成光束的數(shù)以億計(jì)的光子的統(tǒng)計(jì)特征。我們也終于能理解固態(tài)物質(zhì)的力學(xué)屬性，例如由相互吸引的正負(fù)電荷組成的物質(zhì)為何不會自我塌縮，這一點(diǎn)經(jīng)典物理完全無法解釋。量子力學(xué)使人們可以對物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行精確的定量描述。同時(shí)，量子力學(xué)也為描述神奇的超導(dǎo)現(xiàn)象和某些基本粒子的獨(dú)特屬性提供了必要的概念框架。在首次量子革命的照耀下，物理學(xué)家們發(fā)明了晶體管、激光發(fā)射器、集成電路等新裝置，正是這些發(fā)明引領(lǐng)我們步入了現(xiàn)今的信息時(shí)代。到了20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家們開始追問在第一次量子物理革命中被擱置的兩個(gè)問題：第一個(gè)問題： 我們?nèi)绾伟芽梢宰龀鼍�確統(tǒng)計(jì)預(yù)言的量子物理運(yùn)用到單個(gè)微觀粒子？第二個(gè)問題： 量子物體的糾纏對（entangled pair）的驚人特性是否真的與自然規(guī)律相一致？它在1935年的EPR論文上被描述過，卻從未被觀測到。我們在這個(gè)問題的探索上是不是觸及到了量子力學(xué)的邊界？這些問題的答案，先由實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家給出，隨后理論物理學(xué)家對其加以完善。這一系列工作引發(fā)了第二次量子革命，并持續(xù)至今！單個(gè)量子的行為是目前物理學(xué)家們熱烈討論的焦點(diǎn)議題。在過去相當(dāng)長一段時(shí)間里，大部分物理學(xué)家都認(rèn)為這個(gè)問題沒有什么意義，也不重要，因?yàn)閲L試觀測單個(gè)量子已是不可思議的事了，更別提去控制它，操縱它了。引用薛定諤（Erwin Schr�塪inger）的話： ……完全可以說，就像我們不能在動物園里養(yǎng)魚龍魚龍，大型海棲爬行動物，最早出現(xiàn)于2.5億年前，于9000萬年前滅絕。譯者注一樣，我們難以對單個(gè)微觀粒子開展實(shí)驗(yàn)研究。20世紀(jì)70年代是轉(zhuǎn)折點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家設(shè)計(jì)出了觀測和操控像電子、原子、離子這樣的單個(gè)微觀粒子的實(shí)驗(yàn)方案。我一直對1980年于波士頓舉行的原子物理國際大會上人們所表現(xiàn)出的熱情記憶猶新。當(dāng)時(shí)托謝克（Peter Toschek）展示了第一張單個(gè)囚禁離子的成像圖片該種離子在激光照射下會發(fā)射熒光光子，實(shí)驗(yàn)中便是據(jù)此成像的。從那時(shí)起，實(shí)驗(yàn)上的不斷進(jìn)展使得觀測者能直接觀測到量子的躍遷，這讓數(shù)十年的論戰(zhàn)畫上了句號。這個(gè)故事表明，只要能正確解釋計(jì)算上的概率結(jié)果，量子理論可以完美地描述單個(gè)量子的特征。第二個(gè)問題和量子糾纏這一特性有關(guān)。關(guān)于這個(gè)特性的量子理論預(yù)測首先通過基于光子對（pair of photons）的實(shí)驗(yàn)獲得了檢驗(yàn)；隨后一系列努力把實(shí)驗(yàn)場景逐步推進(jìn)到了貝爾等理論物理學(xué)家所追求的理想狀態(tài)。無論這些實(shí)驗(yàn)看起來多么不可思議，它們卻非常一致地驗(yàn)證了量子理論的有效性。在20世紀(jì)80年代，吉桑不僅組建了一個(gè)研究光纖的應(yīng)用物理團(tuán)隊(duì)，而且一直保持著對量子力學(xué)基礎(chǔ)問題的強(qiáng)烈個(gè)人興趣和理論上的執(zhí)著追求。因?yàn)楫?dāng)時(shí)對這類問題開展研究尚未被視為有價(jià)值的工作，他還要對項(xiàng)目負(fù)責(zé)人保密，至少是保持低調(diào)。所以，他成為首批對光纖中光子對的糾纏現(xiàn)象進(jìn)行檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家之一是再正常不過的事了。憑借博學(xué)的光纖技術(shù)知識，吉�？梢院芎玫厥褂萌諆�(nèi)瓦周邊的商業(yè)電信光纖網(wǎng)絡(luò)來展示相距幾十公里依然存在的量子糾纏性，這讓參加實(shí)驗(yàn)的人員也頗感意外。通過一些基于基礎(chǔ)概念的簡單實(shí)驗(yàn)，他證實(shí)了遙遠(yuǎn)物體間能發(fā)生糾纏，并讓量子隱形傳態(tài)協(xié)議（quantum teleportation�� protocol）投入應(yīng)用。他既是量子基礎(chǔ)方面的優(yōu)秀理論家，也是光纖應(yīng)用方面的專家，因此，他成為首批將量子糾纏性應(yīng)用于量子密碼（quantum cryptography）和真隨機(jī)數(shù)（truly random number）生成的科學(xué)家之一。我們能在這本充滿奇幻的書中發(fā)現(xiàn)吉桑的智慧所在。他用對大眾來說淺顯易懂的語言來描述量子物理中最特殊、最難以琢磨的問題（這一點(diǎn)是冒險(xiǎn)的，而他成功了），并且避免使用數(shù)學(xué)公式。他解釋了什么是量子糾纏、量子非局域性以及量子隨機(jī)性(quantum randomness)，同時(shí)還為我們展示了與這些理論相關(guān)的應(yīng)用。但是，這本書又不僅僅是一本科普書，專業(yè)量子物理學(xué)者也可以就其中一些現(xiàn)象進(jìn)行深層次的討論，正如吉桑所強(qiáng)調(diào)的： 我們還遠(yuǎn)沒有搞清萬物運(yùn)行的機(jī)制以及運(yùn)行結(jié)果。那么，即使局域?qū)嵲谝驯粚?shí)驗(yàn)否定，我們是否就要拋棄物理實(shí)在或者局域性呢？對于這個(gè)問題，我跟吉桑處于同一個(gè)戰(zhàn)壕： 局域論和實(shí)在論曾經(jīng)密不可分，并且作為同一個(gè)理論在邏輯上是自洽的，那么將它一分為二并堅(jiān)持其中之一也就是不可取的。如果某個(gè)局域的系統(tǒng)會立即受到空間上相互隔離的另一系統(tǒng)的影響，我們該如何定義這個(gè)局域系統(tǒng)中物理實(shí)在的獨(dú)立性？這本書為我們提供了較為溫和的解決方法。如果基礎(chǔ)量子隨機(jī)性存在，那么非局域性物理實(shí)在就能和愛因斯坦的相對論共存了。即使了解這些問題的物理學(xué)家們也將在吉桑的書中找到讓他們思考更上一層樓的資料；而一般讀者在世界上最優(yōu)秀的前沿專家的精心指引下，將直入問題的精妙之處，欣賞到量子糾纏和量子非局域性的神奇特性。