超越相对论

历经世纪风雨的相对论如今仍然是21世纪物理学大厦的基石。

但是，自从1978年克劳瑟和1982年阿斯佩验证了贝尔不等式不成立之后，相对论的基础——光速不变，或者说，光速是自然运动的极限这一“金科玉律”被否认。

特别是以后的关于多光子的量子纠缠的实验研究，更是证明了在量子世界中，相互作用可以超越空间、超越光速，是非定域的。以至于有的物理学家开玩笑说，在量子世界中存在“精灵古怪”，当然这只是万般无奈的物理学家自我嘲讽的一种方式。

在量子世界中，相对论的基本假设完全失效，已成为21世纪物理学一个最具挑战性的难题。

EPR关联之谜

量子理论被建立之后，关于量子理论的哲学基础，存在着以爱因斯坦这些古典式物理学家为首的柏林学派和以玻尔那群新生代物理学家为代表的哥本哈根学派的争论。

在历次索尔维会议上，爱因斯坦和玻尔两大阵营就量子理论的哲学基础进行过数场针锋相对的辩论。最后，爱因斯坦和玻尔之间的辩论因希特勒上台之后迫害犹太人，爱因斯坦被迫离开德国而结束。

来到美国普林斯顿定居的爱因斯坦和他的两位年轻同事波多尔斯基与罗森，在20世纪30年代又向远在欧洲大陆的玻尔发难，这次的发难是针对“测不准原理”。挑战的论文按三位作者名字的第一个英文字母缩写，被简称为EPR佯谬。

EPR佯谬是这样的。

设想处于所谓单态的一对粒子（比如电子），它们的自旋互相抵消，这样总自旋就为零。假设粒子A和粒子B被分开，沿某一个方向测定粒子A的自旋，结果为“向上”；由于这个粒子对的自旋为零，这就意味着，沿同一方向测定粒子B的自旋总是“向下”的。

但是，按照以玻尔为代表的哥本哈根学派的解释，粒子A的自旋在被测定之前是没有确定值的。在测定粒子A自旋的时候，必然会对粒子B产生瞬间的作用，使B的自旋波函数坍缩至相反的状态，即“向下”的状态。而这种异乎寻常的作用机制要求有超距相互作用，或者超光速的传递。但这在相对论看来，是不允许的。

爱因斯坦和他的合作者确信，这一现象预示了量子理论和相对论的冲突，因而量子理论是不完备的。这个重要的观点，就是爱因斯坦学派的“可分离原则”，也就是后来所谓的“局域性原理”。当爱因斯坦有关局域性原理的论文被玻尔看到后，玻尔的反应很平淡。他还是哥本哈根学派的老观点，认为“主客体不可分”，坚持粒子行为的概率解释，认为微观世界有不同于宏观世界的“特殊规律”，EPR关联并不说明量子理论的不完备性。

显然，玻尔的回答过于苍白无力，没有涉及EPR关联之谜的核心：一旦EPR关联存在，经典的量子理论和相对论将会严重冲突。

在20世纪30年代后的很长一段时间里，对于如何验证EPR关联，许多一流物理学家都试图尝试，但无一例成功。1960年，天才的北爱尔兰物理学家贝尔利用欧洲粒子研究中心的1年学术休假潜心研究，最终提出了一种大胆的不等式来检验EPR关联之谜。

贝尔不等式的提出与验证

为了推导出不等式，贝尔引用了前人一些公认的经典理论，此外他假定爱因斯坦的局域性原理是正确的。如果将来有实验验证了这个不等式不成立，那么不是量子理论的前提错误，就是自然界存在的“非局域性”导致了不等式的不成立。

1978年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的克劳瑟，以及1982年法国巴黎的阿斯佩，都相继在实验上发现了贝尔不等式不成立的实验证据。实验证实，尽管从表面上看局域性有道理，但是，量子世界实际上是由一种看不见的未知原理所支配的，它不需要中介，以超光速作用或者瞬时作用相联系。这对相对论中“运动不能超光速”的观点无疑是最沉重的打击。

近年，物理学家已经将光子作用的数量从早先的2个光子提高到8个光子，同样违反贝尔不等式。同时，物理学家在20世纪90年代初又为这一现象取了一个名字，也就是“量子纠缠”。

目前，物理学家正在将光子作用的数量推广到16个光子的体系。

量子纠缠对当代物理学的冲击

量子纠缠已被发现40年了。目前，物理学家正在将其推广至多光子体系，并试图用量子纠缠实现远距离通讯，以及开发量子计算机等等。

量子纠缠的非局域性特征是对经典相对论的巨大冲击。相对论的第一个经验假设——光速不变原理，在量子纠缠的存在下失效了。在量子纠缠的世界中，粒子之间的相互作用可以是超越时空的瞬时作用，它甚至不需要任何中介媒质。但是，直到今天，为什么在量子体系中会存在“超越时空的‘瞬时作用”’这种显然和相对论冲突的现象，物理学家仍然一无所知，只是在黑暗之中猜测。

近年，有学者提出了一个“相位空间理论”的观点，并试图以此来解释量子纠缠。但是，由于这个理论依然建立在经典的量子理论基础上，没有什么新的物理学原理被加入，所以，只是作为一种尝试，并没有得到物理学界的认同。

同样，也有人试图修改相对论以使其和量子理论兼容，但是，却绕不开以光速不变为前提的基本假设。

可以这样说，在这个已被发现了40年之久的新的量子纠缠的世界中，当代物理学家仍然一筹莫展。承认量子纠缠的存在，就等于承认在量子世界中相对论的基本假设之一——光速不变原理——是错误的，这样，整个相对论物理学的大厦将被颠覆。但是，为了一个未来的、新的物理学大厦，超越相对论是必须的。

科学的进步总是在新发现的基础上提出新的理论取代旧的理论。源于20世纪30年代的EPR关联之谜，到了20世纪80年代得到实验验证，从而引出量子纠缠这一新现象。这一奇特的现象挑战了已经历经一个多世纪风雨的相对论中的基本假设（光速不变，即光速是自然界运动的极限），也为相对论的终结打开了希望之门。

进入21世纪后，物理学家又将量子纠缠的粒子数目推广到多光子体系。随着实验的深入，相信会有一个新奇的物理学世界呈现在眼前，相伴的物理学新原理将会被发现，从而超越已经经历一个世纪风雨的相对论。

（张小宁 插图）