20世纪90年代初我读研究生，第一次听说非定域性 时，不是我的量子力学教授告诉我的，他不打算讲非定域性，连提都不想提。一次我在附近的书店闲逛，发现了一本新出版的书《有意识的宇宙》，书中声称“从来没有什么发现比非定域性更违反日常对物理实在的直觉”。这让我很吃惊，了解这个现象有一种品尝禁果 的感觉。

在日常用语中，“locality”（局域性、本地性）这个词指邻里、小区或其他地方，有点儿夸大其辞。但它的本意，远在17世纪就是“地方”的概念，意思是任何东西都有个地方。你总可以指着一个东西说：“它就在这儿。”如果你不能指出它在哪里，那它一定不是真的存在。如果老师问你作业在哪里，你说我的作业不在任何地方，那你可得解释清楚。

我们体验的世界拥有地方或位置的属性。我们有很强烈的地方的感觉，属于一个地方关系网的感觉。和所爱的人分离会让我们感觉痛苦，和想帮助的事物相距太远会让我们感到无能为力。可现在，量子力学和物理学其他分支暗示，在深层次也许不存在地方这个概念，也不存在距离这个概念。物理实验可能把两个粒子的命运绑定在一起，表现得就好像一对魔术硬币，总是和自己的伴侣同时同一面朝上或朝下。这一对难兄难弟步调如此一致，尽管没有任何“力”穿行于二者之间。这两个粒子可能会旋即分开到宇宙两端遥遥相对，而仍旧步调一致。它们违背了定域性原则，超越了空间的局限。

显然，大自然选择了一个很特别、很巧妙的平衡：在大部分情形下它遵守定域性原则，而且如果人类存在，它就必须遵守定域性，然而大自然悄悄在基础层面留了一个非定域注脚。这两个方向的张力就是本书要讨论的。对研究非定域性的人来说，所有物理学之谜，物理学家这些日子遇到的跨越物理学各分支的疑点，不仅包括量子粒子的古怪现象，而且还包括黑洞的命运、宇宙的起源以及自然的内在统一性。归根结底，非定域性是始作俑者。

对爱因斯坦来说，定域性是更大的哲学问题的一个侧面：为什么人能够做科学研究？为什么这个世界构造得让我们能够讲出道理？爱因斯坦于1936年写了一篇著名的文章，说最不可理解的是宇宙竟然是“可理解的”。乍一看，这句话本身就不可理解。宇宙不是那么显然有理性的，它任性狂野、变幻无常，充满了误区、妄为、不公和不幸。宇宙里发生的大部分事情都挑衅理性思维，尤其是浪漫的时候和开车的时候。然而在这个令人费解的背景下，世界又令人欣慰地呈现出规律性的光芒：太阳总是从东方升起，手里的东西一松手总会落下，雨后常常出现彩虹。人们研究物理学是基于这样的信念，即这些规律性并不是个别令人满意的现象，而隐约说明物理学底层是有秩序的，虽然从表面上看生活是杂乱无章的。

爱因斯坦的意思是，物理学家真的不应该指望有秩序。世界不一定非要有秩序，世界本来不一定要遵纪守法，在另一种情形下，它本来可以混乱无章到底。一个朋友写信问爱因斯坦，问他说的“可理解性”是什么意思。他回信道：“一种先验知识，就是说人应该期待的原本是混沌无序的世界，不可能被头脑理解的。”

尽管爱因斯坦说可理解性是一个我们永远不可能理解的“奇迹”，但他还是试图理解。他在整个职业生涯中都在试图明确说明是什么让宇宙有合理性，他的思想奠定了现代物理学课程的基调。比如他认识到，自然的内在运作是超对称的，即如果你换一个角度看世界，看起来是一样的。对称性将扑朔迷离的已发现的粒子动物园 组织起来，形成秩序；粒子的整个族群在一定意义下彼此非常相似，互为镜像。虽然很多属性为我们能够理解这个世界带来希望的曙光，但爱因斯坦总是提到“定域性”，认为定域性是最重要的属性。

对于定域性概念，不同人的用法存在微妙的差别。对爱因斯坦来说，它有两个侧面的含义。第一个他称为“可分性”，意思是你可以把任意两个物体分开，或把一个物体的两部分分开，而一个一个分别考虑，至少原则上可以。你可以把餐桌旁的一把椅子移走放在餐厅的一角，这把椅子的属性（大小、款式及舒适度）不会变化。整个餐厅的属性是所有餐桌餐椅的属性的总和。如果每把椅子可以坐一个人，那么4把椅子可以坐4个人。整体是部分之和。定域性的第二个侧面，爱因斯坦称之为“局部作用”，意思是两个物体之间的相互作用只能通过直接碰撞或雇佣中介将二者联系起来。和我相隔一定距离的人，我知道我不能影响他，除非跨越距离亲自来到他身边，能摸着他，跟他面对面谈，或能打他一拳。不管怎样，能和他直接接触，或选择一个中介代办。现代技术并没有逃避这一定域性原则，只是启用了新的中介。电话把声波转换成电子信号或无线电波，信号通过有线或无线方式传到另一端，然后信号被转换回声波。沿途每一步，必须直接接触一下另一个东西。要是电线中有头发丝那么大的裂痕，消息就走不了多远，好像在没有空气的月亮上尖叫。简而言之，可分性定义了什么是物体，局部作用规定了物体能做什么。

爱因斯坦在他的相对论中捕捉住了这些原则。具体地，相对论说任何物体的运动都不能超过光速，如果没有这个速度限制，物体的运动速度可能无限快，那么距离就失去了意义。物理学家们以为，所有自然之力必须慢慢地、迂回地、费力地穿过太空，而非如物理学家从前以为的那样，一下子跳越太空。这样相对论给出了一个测量办法来测量分开的物体之间的孤立程度，从而保证它们的鲜明个性。

对你来说，相对论和其他物理定律要么令人欣慰地说明了宇宙的深层秩序，要么是大煞风景的规矩，令人烦恼，好像严厉的父母剥夺了你全部的生活乐趣。这取决于你的心态。要是我挥挥胳膊就能飞起来，那该多好！可对不起，谁也不行。要是我们能凭空创造新能量，那么许多世界难题不就解决了？可对不起，物理定律不允许。物理定律只允许能量从一种形式转化成另一种形式。现在你瞧瞧，又来了一个苛刻限制——定域性，毁掉了人类超光速宇宙飞行和有心灵感应的梦想。球迷永恒的希望是他们可以通过在胸前划十字，或从座位上站起来大喊几声有见地的话，助自己心爱的球队一臂之力。不幸的是，定域性让他们的希望破灭。如果你的球队正在输球，而你又特别认真地想去帮忙，那对不起，你非得亲自跑到球场上去。

但定域性对我们是有好处的。它让我们有自我感觉，让我们相信我们的思想、我们的感觉是属于我们自己的。恕我直言，约翰·多恩 先生，每个人的确是一个孤岛，完全孑然独立的孤岛，人与人之间相隔大海一样宽广的空间，我们应该感恩这点。如果没有定域性，世界就会充满神奇魔幻，但不是那种快乐的、迪斯尼乐园似的神奇魔幻。如果球迷们希望从自己的客厅控制比赛，他们一定要小心自己到底想控制什么，因为对方球队的球迷也会有办法控制比赛。全国各地数百万赖在沙发上看电视的球迷会拼命给自己的球队一点好处，使得比赛本身失去意义，变成了球迷的意念比赛，而不是场地上运动员的比赛。不仅仅体育比赛，整个世界都会跟我们不友好。在没有了定域性的世界里，你身体外面的东西能伸到你的体内去而无须穿过皮肤，而你自己的身体对自己的体内状态将失去控制权，和环境融为一体。那么，根据定义，这就是死亡。

* * *

爱因斯坦将目光锁定于定域性原则，把定域性原则当作理解自然的关键先决条件，这凝结了两千年的哲学和科学思想之精华。对亚里士多德和德谟克利特等古希腊思想家来说，定域性使理性解释成为可能。如果物体之间能通过直接碰撞彼此影响，那么你就可以一个一个地按顺序解释事件：“这个撞击了那个，那个撞上了另一个，然后另一个又撞上了其他什么东西。”任何事情有果必有因，这个原因是由时空中一系列不间断事件顺序链接导致的。不可能有什么事令你不得不举起双手嘟囔着说：“然后奇迹发生了。”古希腊哲学家嘟囔的并不是奇迹——他们不是无神论者。即使上帝，他们觉得，也应该用清楚可解释的规则对这个世界施加影响。定域性不仅对哲学家和科学家寻求那种类型的解释很关键，而且对采纳的方法也很关键。定域性保证他们把一件事和另一件事分开，一个个分别理解，一步一步地建立起世界的整个图景。他们不会面对一次性全部解决——这是不可能完成的任务。

1948年，爱因斯坦在生命的最后阶段写了一篇短文总结了定域性的重要性：“物理学概念指向一个真实的外部世界……那些声称独立于主观的真实存在的东西……这些东西据称是彼此独立存在的，意思是存在于空间的不同地方……如果没有这一假设，没有这一空间中相互隔开的物体彼此独立存在这一源于常识的假设，那么我们熟悉的物理思想几乎是不可能的。而且如果没有这一分隔，就没人能看得出来物理定律是怎样构造出来和怎样得到检验的。”

定域性之所以有如此普遍的重要性，因为它是空间这个概念的精髓所在。我的意思不仅仅是指“外层空间”这一宇航员和小行星的领地，而且包括环绕在你我之间、我们的身体和其他一切东西占据的空间，比如我们挥舞棒球棒所需的空间，或者我们打开卷尺测量距离的空间。不管你是通过望远镜观察行星还是用望远镜偷看你家邻居，你都在通过空间窥视。对我来说，这美丽的景致来源于跨越空间的令人晕眩之感，一种当你意识到山谷另一边的那个小点点实际上就在那里，只要你的手臂伸得足够长就能够着的、水平晕眩之感。

油画家早就意识到，空间不是空的，而是有理由独立存在。在油画构图上，帆布上的物体之间放什么东西与物体本身同样重要。空间对物理学家来讲是物理实在的油画帆布。几乎我们身体的所有属性都是空间的。我们每个人占据一个空间，我们有形状，我们会运动。细胞和体液在我们体内的空间中舞蹈，舞蹈设计精妙复杂。我们的思想是在空间中穿行的冲动。我们和世界上其他物体的所有相互作用都通过一定的空间来实现。活的生命体也是物体，物体难道不就是凭借在宇宙中占据一块儿来空间，从而获得个体唯一标识的吗？

物理学根基于研究物体如何在空间中运动，而空间几乎事实上定义了所有物理量：距离、大小、形状、位置、速度及方向。其他物理量也许看起来与空间无关，但其实与空间有关，例如颜色对应于光波的长短。只有很少几个物理量还没有已知的空间解释，例如电荷，而这些物理量也通过在空间中运动发生折射而暴露自己的真实身份。但我们观察一个物体时，关于它的一切最终都是空间的，是从其粒子如何在空间上排列而产生出来的，而粒子本身则是光溜溜的小点。先有形式，后有功能。即使非空间概念到了物理学家头脑里也会变成空间的，时间变成了图上的一个轴，自然法则变成了在“可能性”的抽象空间中运行。对爱因斯坦有直接影响的、最具权威性的康德思想，认为不可能想象没有空间的世界。

* * *

成也萧何，败也萧何。定域性曾经辉煌到极点，但也成了自己的掘墓人。命运真能捉弄人。尽管爱因斯坦因相对论而为世人熟知，但事实上他因共同创建了量子力学而获得了诺贝尔奖。量子力学描绘了原子和亚原子的行为。事实上，物理学家们认为量子力学描绘了一切事物的行为，尽管量子效应在微观尺度下最为明显。爱因斯坦和他同时代的物理学家悟出这样一个理论：原子和粒子不可能仅仅是我们周围看到的东西的微缩。因为如果是这样的话，即如果原子和其他粒子的运动规律符合牛顿及其同时代人的经典物理定律，那么这个世界一定会自我毁灭。原子会坍塌；粒子会爆炸；灯泡会噼里啪啦作响，放出致命的辐射。我们现在仍旧活着，那意味着物质一定由一组新的物理定律支配。爱因斯坦欢迎了这一新奇现象。事实上，尽管他最后（不公平地）获得了经典物理学最后守护者的称号，其实他自始至终都欣赏这些量子世界的奇异特性，思想非常前卫。

这些奇异特征之一是非定域性。量子力学预言两个粒子可能变成孪生兄弟。为了将两个粒子耦合起来，需要一个机制，所以这两个粒子应该完全是自主的；可在量子力学里，碰了一个就等于碰了另一个，好像距离对这两个粒子毫无意义。分而治之 的科学方法对这两个粒子失效。两个粒子有联合属性，如果你只看一个粒子，那么你抓不住这些联合属性，你只能将这些粒子绑在一起观测。我们这个世界纵横交错着这些看起来非常神秘的关系之网。你身体里的原子保留了一个纽带，连接着每一个你曾经爱过的人。这话听起来很浪漫，但当你意识到你也连接着每一个走在大街上处处跟你作梗的古怪人时，可就不那么浪漫了。

宇宙两端遥遥相对的粒子不可能被连在一起，对不对？爱因斯坦认为这个想法很傻，历史好像回到了科学诞生以前的巫术时代。他论辩道，任何理论如果隐含“幽灵般的超距作用”之含义，那一定是有什么东西还没找到。他猜这个世界其实是定域的，只是给你一个非定域的假象。他想寻找一个更深的理论，将隐含的两个粒子协同作用的机制表达出来。他也许尝试过，但他永远也不可能找到这样的理论，他承认过也许他自己就是那个没有找到的东西。也许不存在暗中的发条装置。定域性原则以及我们想象出来的空间可能根本就不存在。在他去世之前几个月，爱因斯坦思索过如果空间这个概念解体，那么对于我们对这个世界的认知将意味着什么。他说：“我的整个空中楼阁都将化为乌有，不仅是万有引力理论，而且现代物理学的其余部分也将化为乌有。”

更鬼魅的是爱因斯坦同时代物理学家的乐观态度。对他们来说，非定域性不是问题。他们对此不屑一顾的理由非常复杂，物理学家们至今仍在争论，但也许最善意的解释是实用主义。让爱因斯坦烦恼的问题，似乎与量子理论的实际应用无关。但只有到了20世纪60年代新一代物理学家和哲学家才真正耐心听取了爱因斯坦的担心。他们的实验暗示非定域性在理论上并不奇怪，而是真实生活的写照。而且即使在那时，他们的大部分同事都不会多想这个问题。这就是为什么我在读研究生的时候对这个问题百思不得其解。

但是在过去的20年里，我看到学界的态度在慢慢但显著地改变。非定域性突然进入主流物理学里，席卷范围远远超过爱因斯坦发现的现象。作为科学撰稿人和编辑，我有幸采访了各行各业的科学家，他们有的是研究亚原子物理的，有的是研究黑洞的，有的是研究宇宙宏观结构的。我常常听到类似这样的说法：“可是很古怪，如果不是亲眼所见，我不可能相信，但的的确确看起来世界只可能是非定域的。”这些研究人员就像宇宙两端的粒子，彼此互不相识，不知道对方的存在，却意识到同样的结论。

如果爱因斯坦认为非定域性有巫术的味道，新的研究是否支持这个所谓的超自然现象？有些人认为是这样。在过去的10年里，一些科学家猜想粒子之间的非定域联系可能赋予你超自然的特异功能。例如，如果你大脑里的粒子和你朋友大脑里的粒子发生量子纠缠，也许你们俩之间就会有心灵感应。另一个极端，许多物理学家觉得非定域性研究有超自然暗示，是胡言乱语，因而完全不去理会这一学科的研究。事实上，粒子之间并不存在联系。没有任何证据站出来支持第六感官（ESP )，而且所讨论的那些非定域现象实在微不足道，不足以使思想转弯或控制远方的棒球比赛。

有些人对此很失望。其实，他们不应该失望。如果世界不是魔术般的那才叫奇怪呢。我前面讨论过，定域性是人类存在的一个前提。任何非定域性都要安全妥善地收藏起来，只有在特定条件下才显露出来，要不然我们的宇宙就会很不利于生命的产生和发展。非定域性现象如此惊心动魄，远远超越任何超自然现象，它给我们提供了一个窥探真实物理实在的窗口。如果影响力能够跨越空间，看起来就好像空间并不真的存在一样，那么自然的结论是，空间并不真的存在。哥伦比亚大学弦理论家布莱恩·格林在2003年出版的《宇宙的结构》中写道，非定域关联“告诉我们，在底层，空间并不是我们曾经认为的那样”。那么，空间到底是什么？研究非定域性可以为解答这个问题提供线索。许多物理学家现在认为空间和时间的概念将被颠覆，空间和时间不再是自然的基本元素，而是从一些原始的无空间状态生成的产物。空间就像一个大地毯，边缘毛毛糙糙，而且有磨损的痕迹。正如我们仔细观看地毯磨损的地方时能看出来地毯是怎么编织的，通过研究非定域现象，我们可以窥见空间是如何从没有空间属性的构件中编织出来的。

世界领先的物理哲学家之一、纽约大学教授蒂姆·莫德林说：“我一直认为，现在仍然认为，非定域性的发现和证明是20世纪物理学的一个最惊人的发现。”在20世纪90年代末的一篇论文中，他总结如下：“世界不是由一组分置的、定域的、只通过空间和时间外在建立联系的实体组成的。世界是由一些更深层次的、更神秘的东西编织出来的。物理学进展到这个时刻，该开始沉思到底是什么。”

与此同时，准确地说因为这个问题生死攸关，其他科学家告诉我，非定域性不可能是真的—— 一个或两个非定域现象到头来将被证明是误解，把这些现象混为一谈是不对的。物理学家们基于空间概念的逻辑推理取得了巨大的成功，他们不可能轻易放弃。其中一个物理学家、不列颠哥伦比亚大学物理学教授比尔·盎鲁与爱因斯坦有同感“：如果我必须知道宇宙的所有一切才算无所不知，如果我真的把‘非定域性’看成重要的事，如果地球上所发生的事情决定于遥远的星星，那么研究物理学就没有什么意义了。我们有可能研究物理学是因为世界是可划分的。如果我们真的需要看星星才能知道我们的未来，那么我看不出来我们怎么研究物理。”

除了其内在的魅力，非定域性是科学论辩法的理想例子。莫德林和盎鲁之间的分歧是纯精神的，没有任何经济利益让你怀疑其背后的动机，没有埃克森美孚说客咆哮公堂，争论没有个人感情因素，大部分人都是朋友。数学是非常简单的，实验结果毫无争议。而且争论还在进行，将历经几代物理学家。今天的学者们仍在排练着20世纪二三十年代爱因斯坦和对手的争论。为什么会是这样？如果专家们都意见不一，那么我们其他人怎么办？

想一想最近一段时间声名显赫的科学大辩论——气候变化。大多数气候学家认为人类活动造成全球气候变暖，但仍有许多人坚持不同意见。而对于那些读报纸或浏览网络的人来说，这种争论令人疑惑，因为大多数人没有时间变成大气环流模型专家或长波辐射测量专家。但我将看到的是，大争论将在实际意义下被解决，不论专家们是否还继续争论。在大气变化方面，公众总是知道需要做什么，不需要做什么。的确，气候变化所导致的灾难很可能发生，但规避这种风险只需要一点谨慎就行了。正如即使没有燃烧理论的博士头衔，你也应该知道为自己的房子买火灾保险一样。同样道理，对于非定域性这件事，即使最死硬的怀疑派现在也承认的确发生了很古怪的事，这些事迫使我们重新思考曾经深信不疑的时空概念。如果我们想知道宇宙是怎样诞生的，以及自然界是怎样完美地结合在一起的，那么我们需要理解这些古怪的事到底是怎么回事。

社会故事并不仅是科学的花边，它其实是与科学密切相关的，因为在不断变化的研究领域中，概念在碰撞，没有什么是完全清楚的。科学门外汉以为科学采用的传统方法，即运用事实、逻辑、方程和实验是不足以形成一个封闭体系的。科学家们必须找到他们的直觉、隐含的比喻，以及运用判断来确定他们的基本原则是否充分。我自己在决定研究非定域性后，曾开始了一段闲适的自然远足，但很快发现自己钻进了离奇的热带雨林，树影婆娑，光怪陆离，到处都是迷宫般的小路以及爬满火蚁的把手。有些物理学家一听说要反叛最古老最深刻的科学概念就兴奋起来，另一些物理学家则生气地直耸肩。如果定域性失效，是不是意味着我们的宇宙是不可理解的（正如爱因斯坦担心的），抑或物理学家能找到其他让宇宙可理解的方法？ zUHr6IWVMUC6QI770u7LLrANiaMDAk4bYBFwsp2W16fgNIJLwYDG12z9iwiWXaHL