一見鐘情！這是吉桑（Nicolas Gisin）初次接觸到貝爾（John Bell）的理論時所說的話。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的情形。盡管這篇論文在當時鮮為人知，我卻完全明白，這將會是通過實驗方式詮釋量子力學，解決玻爾（Niels Bohr）和愛因斯坦（Albert Einstein）分歧的關鍵！在當時，即便有些物理學家已經知道愛因斯坦、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，更別說去關注量子力學的基礎概念了。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�？�的噩運。在那個沒有互聯(lián)網的年代，那些沒有發(fā)表在主流期刊上的論文只能借助復印機進行傳播。在希莫尼（Abner Shimony）的一次來訪中［受德帕尼亞（Bernard d Espagnat）邀請訪問奧爾賽］，我得到了貝爾那篇文章的復印件復印自光學研究所（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位論文聚焦于對貝爾不等式進行實驗檢驗，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，我找到了實驗者將面臨的嚴峻挑戰(zhàn)： 當糾纏的粒子（entangled particle）從放射源發(fā)射到測量區(qū)域時，如何改變偏振檢測儀的方向？解決這一技術難題的關鍵是： 借助相對論基本原則，即物理效應不能以超光速傳播，我們可以避免改變偏振檢測儀方向對粒子放射機制或測量方法所造成的影響。通過這樣的實驗，我們可以精確地檢驗兩種互相沖突的理論到底哪一個是正確的： 是玻爾的量子力學還是愛因斯坦所堅守的局域實在論（local realism）？局域實在論包含兩個基本原則。首先，系統(tǒng)存在物理實在（physical reality）；其次，局域性假設（locality assumption）成立，即由于相對論基本原則，一個系統(tǒng)不會被遙遠空間外的另一個封閉系統(tǒng)內所發(fā)生的任何事情立即影響。最終，實驗證明量子力學是正確的，并迫使大多數(shù)物理學家放棄了愛因斯坦所竭力維護的局域實在論。但是，我們是否就要因此拋棄實在論(realism)或者局域論(locality)呢？放棄物理實在的論點無法把我說服，因為我覺得物理學家的使命在于精確地描述這個世界的實在，而不僅僅是預測測量儀器上所呈現(xiàn)的結果。不過，倘若量子力學在這方面被證實了（時至今日，這看似已經確鑿無疑），我們是否該認定，這個明顯與愛因斯坦相對論準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亮一盞燈，或者在證券交易所下個訂單？但是，我們還不得不受量子力學另一特性的制約，即基本量子非決定論（fundamental quantum indeterminism）。這個理論認為，在任何具體實驗中，我們都不可能左右實驗的實際結果，盡管通過量子力學我們可以預見到可能出現(xiàn)的各個結果。可以確定的是，量子力學雖然可以對實驗中各種可能結果的概率進行極其精確的計算，但是這些概率僅在相同實驗多次重復時才有統(tǒng)計學上的意義。正是這種基本量子隨機性（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展的科普讀物中，吉桑的這本書清晰地強調了基本量子隨機性的關鍵地位。比如，如果沒有基本量子隨機性，有朝一日我們可望設計出超光速電報系統(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行一次徹底的修正。我不認為有什么不可觸碰、無法更改的物理理論。恰恰相反，我本人一直堅信，任何物理理論都有可能被適應領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重要特征。在上述問題上，本書堅持如此獨特的立場而不是跟著其他科普圖書人云亦云，這一點也不讓人驚訝。原因是，吉桑在20世紀最后25年那場量子理論革命中是一位關鍵人物。第一次量子革命于20世紀初開始，標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成物質的原子，形成金屬、半導體內電流的電子云以及構成光束的數(shù)以億計的光子的統(tǒng)計特征。我們也終于能理解固態(tài)物質的力學屬性，例如由相互吸引的正負電荷組成的物質為何不會自我塌縮，這一點經典物理完全無法解釋。量子力學使人們可以對物質的光學性質、電學性質進行精確的定量描述。同時，量子力學也為描述神奇的超導現(xiàn)象和某些基本粒子的獨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)明引領我們步入了現(xiàn)今的信息時代。到了20世紀60年代，物理學家們開始追問在第一次量子物理革命中被擱置的兩個問題：第一個問題： 我們如何把可以做出精確統(tǒng)計預言的量子物理運用到單個微觀粒子？第二個問題： 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。我們在這個問題的探索上是不是觸及到了量子力學的邊界？這些問題的答案，先由實驗物理學家給出，隨后理論物理學家對其加以完善。這一系列工作引發(fā)了第二次量子革命，并持續(xù)至今！單個量子的行為是目前物理學家們熱烈討論的焦點議題。在過去相當長一段時間里，大部分物理學家都認為這個問題沒有什么意義，也不重要，因為嘗試觀測單個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，我們難以對單個微觀粒子開展實驗研究。20世紀70年代是轉折點，實驗物理學家設計出了觀測和操控像電子、原子、離子這樣的單個微觀粒子的實驗方案。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。當時托謝克（Peter Toschek）展示了第一張單個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，實驗中便是據(jù)此成像的。從那時起，實驗上的不斷進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。這個故事表明，只要能正確解釋計算上的概率結果，量子理論可以完美地描述單個量子的特征。第二個問題和量子糾纏這一特性有關。關于這個特性的量子理論預測首先通過基于光子對（pair of photons）的實驗獲得了檢驗；隨后一系列努力把實驗場景逐步推進到了貝爾等理論物理學家所追求的理想狀態(tài)。無論這些實驗看起來多么不可思議，它們卻非常一致地驗證了量子理論的有效性。在20世紀80年代，吉桑不僅組建了一個研究光纖的應用物理團隊，而且一直保持著對量子力學基礎問題的強烈個人興趣和理論上的執(zhí)著追求。因為當時對這類問題開展研究尚未被視為有價值的工作，他還要對項目負責人保密，至少是保持低調。所以，他成為首批對光纖中光子對的糾纏現(xiàn)象進行檢驗的實驗物理學家之一是再正常不過的事了。憑借博學的光纖技術知識，吉�？梢院芎玫厥褂萌諆韧咧苓叺纳虡I(yè)電信光纖網絡來展示相距幾十公里依然存在的量子糾纏性，這讓參加實驗的人員也頗感意外。通過一些基于基礎概念的簡單實驗，他證實了遙遠物體間能發(fā)生糾纏，并讓量子隱形傳態(tài)協(xié)議（quantum teleportation�� protocol）投入應用。他既是量子基礎方面的優(yōu)秀理論家，也是光纖應用方面的專家，因此，他成為首批將量子糾纏性應用于量子密碼（quantum cryptography）和真隨機數(shù)（truly random number）生成的科學家之一。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（這一點是冒險的，而他成功了），并且避免使用數(shù)學公式。他解釋了什么是量子糾纏、量子非局域性以及量子隨機性(quantum randomness)，同時還為我們展示了與這些理論相關的應用。但是，這本書又不僅僅是一本科普書，專業(yè)量子物理學者也可以就其中一些現(xiàn)象進行深層次的討論，正如吉桑所強調的： 我們還遠沒有搞清萬物運行的機制以及運行結果。那么，即使局域實在已被實驗否定，我們是否就要拋棄物理實在或者局域性呢？對于這個問題，我跟吉桑處于同一個戰(zhàn)壕： 局域論和實在論曾經密不可分，并且作為同一個理論在邏輯上是自洽的，那么將它一分為二并堅持其中之一也就是不可取的。如果某個局域的系統(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局域系統(tǒng)中物理實在的獨立性？這本書為我們提供了較為溫和的解決方法。如果基礎量子隨機性存在，那么非局域性物理實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。