4.星光为证，爱因斯坦错了

位于维也纳市中心的奥地利国家银行总部是个非常安全的地方，在这栋大楼的地下室中，员工们日常进行着对欧元的成品检测。然而，2016年4月的一个晚上，银行的另一个区域也进行了另一项检测。一群年轻的物理学家带着临时证件和灵敏的电子设备，上到大厦顶楼，他们组装了一对望远镜。其中一架望远镜朝向天空，对准了银河系中的一颗遥远的恒星；另一架则指向城市，寻找从几个街区外的屋顶发出的激光束。然而，对于所有的天文设备来说，它们真正要寻找的猎物要小得多。在那里，他们正在准备一场验证量子理论的新实验。

很难夸大量子物理学的奇异性。就连爱因斯坦和薛定谔这两位理论的主要创立者，最终也觉得该理论太怪异，还不完全正确。首先，不像牛顿物理学和爱因斯坦相对论可以解释苹果下落或星系的运动，量子理论只提供了各种结果的概率，而不是确定的预测。其次，爱因斯坦反对量子理论将现实世界中的物体视为一种可能性——既有也没有，或者就如薛定谔著名的猫那样，既活着又死了。最奇怪的则是薛定谔所说的“纠缠”，在某些情况下，量子理论的方程意味着一个亚原子粒子的行为与另一个粒子的行为有关，无论另一个粒子在房间隔壁，在地球的另一端，还是在仙女座星系中，都是如此。确切地说，它们之间不是通过任何媒介传递信息，而好像是瞬时的效应，但爱因斯坦已经证明，没有什么比光传播得更快了。在给朋友的一封信中，爱因斯坦将纠缠斥为“超距的怪异行为”——更像是鬼故事而不是可敬的科学。 但这些方程又如何解释呢？

物理学家在试图阐明他们理论中最奇妙的部分时，经常会用双胞胎举例子。例如，爱因斯坦的相对论引入了所谓的双生子佯谬，它预测接近光速旅行可以使一个人的时间比他的双胞胎兄弟或姐妹要过得慢。[薛定谔对双胞胎的兴趣则相当不学术，他的兴趣主要在荣格姐妹（他的情妇）身上，她们当时的年龄只有薛定谔的一半。] 我是一名物理学家，我确实有一对双胞胎孩子，我发现在试图思考量子纠缠的奇妙特性时，想想她们倒确实非常有帮助。

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让我们来看一下，有这么一对量子双胞胎埃勒里和托比。想象一下，在同一时刻，埃勒里走进马萨诸塞州剑桥的一家餐馆，托比则走进远在英国剑桥的另一家餐馆。她们在菜单中点了些菜，便开始享受美味。之后，服务员过来为她们提供甜点，埃勒里可以选择布朗尼和曲奇，她对两者并没有偏好，所以她便随机选择了一个；托比跟她姐姐一样没有偏好，也随机选择一个。两姐妹都非常喜欢她们各自的餐馆，所以她们下周又来了。这一次，当她们的主菜结束后，服务员提供了冰激凌和冰酸奶。这次双胞胎仍然很开心地进行了随机选择。

在接下来的几个月里，埃勒里和托比经常去这两家餐馆，在曲奇、布朗尼、冰激凌或冰酸奶之间漫无目的地选择着。当她们聚在一起过感恩节时，她们看上去都胖了。她们比较了一下各自的日记，发现了一个关于她们选择模式的惊人之处。事实证明，当美国和英国的服务员提供的是烘焙食品时，这对双胞胎通常会选择相同的东西——一个布朗尼或一块曲奇；而当服务员提供更多食品时，托比倾向于在埃勒里点布朗尼时点冰激凌，反之亦然。然而，不知道什么原因，当她们都要冷冻甜点时，她们往往会作出相反的选择——一个人如果点了冰激凌，那另一个肯定点冰酸奶。托比点什么的行为似乎决定了埃勒里点什么，相隔着大洋的两姐妹，这种选择模式确实有些奇怪。

爱因斯坦认为，粒子有其自身的明确特性，与我们是否选择去观测的行为无关。正如他曾在普林斯顿月光下与同事漫步时说的名言：你是否真的相信，只有当有人碰巧看的时候，月亮才会出现在天空中？ 爱因斯坦同样坚定地认为，局部行为只能产生局部影响。换句话说，在描述我们的量子双胞胎时，爱因斯坦会坚持说，不管服务员碰巧给埃勒里提供了什么类型的甜点，托比每天晚上都有明确的甜点偏好。毕竟，由于没有信息能比光传播得快，不言而喻，只要这对双胞胎相距足够远，那么埃勒里的决定就无法影响托比的行为。如果相对论确实决定了A对B的影响的绝对速度限制，那么托比在去餐厅时就没有机会根据埃勒里的行为信息去改变她的甜点订单。

1964年，爱尔兰物理学家约翰·贝尔（John Bell）确定了爱因斯坦世界和量子世界之间的统计阈值。 根据贝尔的研究，如果爱因斯坦是对的，那么对于粒子对的测量结果应该可以支持其结果，又或者说，应该会对托比和埃勒里的甜点订单的关联频率有严格的限制。但如果量子理论是对的，那么其相关性应该发生得更频繁，关联频率会更高。在过去的40年里，科学家们已经对贝尔定理的边界进行了多次测试。不是用埃勒里和托比，他们使用的是特别准备的粒子对，如光子。代替服务员记录甜点订单的是可以测量某些粒子物理属性的仪器，比如：光的偏振——可以使光的电场振荡相位相垂直的两个波的某一个相位通过。迄今为止，每一个已发表的实验最终都与量子理论的预测相一致。

然而，从一开始，物理学家就认识到，他们的实验存在着一些漏洞，这些漏洞原则上可以解释观测到的结果，同样可以证明，也许量子理论是错误的，纠缠也许只是一种幻想。一个漏洞，被称为“定域”，涉及信息流：在实验的一端测量完成之前，实验另一端的粒子或测量它的仪器是否向它发送了某种信息；另一个漏洞与统计有关：如果被测量的粒子由于某种原因表达出一种差异化的结果，在成千上万数据中能够发现这些不一样的结果吗？多年来，物理学家们已经找到了解决这些漏洞的巧妙方法，从2015年开始，几个漂亮的实验已经成功地同时解决了这两个漏洞。

但还有第三个漏洞，贝尔在最初的分析中忽略了这个漏洞。它被称为选择自由的漏洞，指的是过去发生的事件是否干扰和影响正在进行的测量，从而影响纠缠粒子的行为？正如在我们的类比中，提供甜点的行为与埃勒里和托比的选择行为。如果这对双胞胎事先知道向托比提供烘焙食品或冷冻食品的顺序，那么她们就可以制订一个计划，这样她们的甜点订单就能违反原来的模式。（正如薛定谔本人在1935年评论的那样，如果一个学生能够提前收到考卷的答案，那他就不会对自己成绩得到A而感到惊讶。） 定域漏洞假设了埃勒里和托比的服务员可能会相互沟通餐厅提供各种甜点的信息；而选择自由的漏洞假设某些第三方可以事先猜到服务员会提供的选择，或者可能以某种力量影响服务员的行为，我和我的同事着手解决的就是这一漏洞。

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2012年秋天，我开始思考选择自由漏洞。最近，我阅读了一本早期有关贝尔定理的书，并开始在实验室中检验量子纠缠，此时，这个主题还没有进入物理学家主流领域。 研究完有关贝尔定理的书之后，我开始与麻省理工学院的一位新的博士后研究员安迪·弗里德曼（Andy Friedman）合作，我们的计划是共同关注早期宇宙的各种理论模型，试图解释宇宙在大爆炸阶段的行为。当安迪刚在麻省理工学院安顿下来后，安迪和研究生院的朋友杰森·加里奇奥（Jason Gallicchio）在哈佛广场共进了晚餐。杰森的新办公室比我们的远一点儿：他已经开始与南极望远镜（South Pole Telescope）合作，不久将被派往南极洲，担任空间站的“过冬”科学领袖。（天文学家喜欢拿在极地过冬开玩笑：你只需要工作一晚，在极点，那晚正好持续6个月。）

在离开剑桥前往南极洲之前，杰森一直在思考宇宙空间，以及天文学家和宇宙学家近几十年来关于时空结构的一切知识。对人类来说，光速是如此之快——时速近7亿英里，然而，我们的宇宙是如此之大，而且已经膨胀了这么久，天文学家们的工作是仔细测量和观察夜空中微弱的星光，这些星光来自非常非常遥远的星体，这些星光穿过几乎整个宇宙才到达我们这里。

那晚，杰森和安迪对着汉堡陷入沉思：我们能否以某种方式，在宇宙的宏观尺度上来检测量子理论？如果我们对来自遥远星体的光进行观测，并利用这一观测结果，来决定对地球上的一对纠缠粒子的观测。在这种情况下，埃勒里和托比的服务员就不是在厨房里通过掷硬币来确定提供哪种甜点了，而是根据很久以前和很远的事件来决定甜点。在服务员等待埃勒里和托比下单的时候，厨房里的硬币可能被一些隐藏的机制（隐变量）所影响，但天文信号不同，它来自宇宙的另一端。

安迪知道我对贝尔定理和宇宙学感兴趣，他向我分享了他与杰森的头脑风暴，很快我们三人就开始一起工作了——安迪现在在我麻省理工学院办公室的隔壁，而杰森则位于世界的另一端。 我们最大的幸运是，在我们的论文中提出了对贝尔不等式进行实验检测的新方案。也许是偶然的——也许多亏了纠缠的微妙设备——奥地利物理学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）恰好在这期间访问了麻省理工学院，并做了一场物理学报告。在他非凡的职业生涯中，蔡林格设计并进行了许多巧妙的实验，测试了量子力学中一些最奇怪的、最引人入胜的特性，包括贝尔不等式。 在蔡林格访问期间我们很快展开沟通，安迪和我向他提出了我们的想法：使用无关联的天文随机性粒子来进行贝尔不等式的测试。经过长时间的交流，安东欣然接受。他和他的团队最近在维也纳刚完成了一个关于选择自由漏洞方面的重要实验，更加认同了我们这个奇妙的思路。 不久，我们共同组建了一个团队：我们的“宇宙贝尔”合作团队诞生了。

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我们于2016年4月进行了第一次实验，实验在薛定谔的家乡维也纳的三个地点。量子光学和量子信息研究所的蔡林格实验室为我们提供了带有纠缠光子的激光。托马斯·谢德尔（Thomas Scheidl）和他的同事们在北边大约3/4英里的地方，在两座大学教学楼里架设了两台望远镜。一个是瞄向研究所，准备接收纠缠的光子，一个是瞄向相反的方向，固定在夜空中的一颗星星上。在研究所南面几个街区的奥地利国家银行，由约翰内斯·汉德施泰纳（Johannes Handsteiner）率领的第二支队伍，配备类似的设备；他们的第二台望远镜，那个没有指向研究所的望远镜，则指向了南方。

我们小组的目标是检测纠缠粒子对，这个过程中，我们要确保在对该粒子对的其中一个进行测定时，不能影响到另一个粒子。汉德施泰纳的目标恒星距离地球约600光年，这意味着他的望远镜接收到的光已经飞行了600年。我们通过仔细挑选，选择了这颗恒星，保证它在几个世纪前发出的光首先到达汉德施泰纳的望远镜，之后再到达蔡林格实验室或谢德尔的大学站点。（这样，埃勒里的服务员只能根据离地球4万亿英里外的信息来作为提供甜点的选项了，从而确保埃勒里、托比和托比的服务员都不可能事先得知其信息）。谢德尔小组的目标星距离地球有两千光年的距离，两个团队的望远镜都配备了特殊滤波器，可以非常快速地区分出比参考波长更红或更蓝的光子。如果汉德施泰纳的星光在某一瞬间更红，那么他的站点上的仪器将对经过蔡林格实验室发出的成对纠缠光子中的一个进行测量；如果汉德施泰纳的星光在某一瞬间更蓝，那么将对另一个进行测量。谢德尔的站点也是如此。根据对星光的观测结果，两边的探测器设置为每隔几百万分之一秒就调整一次。

通过将汉德施泰纳和谢德尔的站点设置得足够远，我们算是堵住了“定域”漏洞，同时，我们也解决了“选择自由”漏洞。（不过，由于我们只检测从蔡林格实验室发出的所有纠缠粒子中的一小部分，我们不得不假设我们测量的部分光子可以代表全部样本。）那天晚上我们进行了两次实验，将恒星望远镜瞄准一对恒星3分钟，然后再瞄准另一对3分钟。在每种情况下，我们检测到大约10万对纠缠的光子。所有实验的结果都与量子理论的预测非常一致，而远超过贝尔不等式的许可程度。

对于这一结果，爱因斯坦思想的追随者会如何反应？或许会质疑我们抽样假设的误差，或者归因于一些独特的、未知的机制利用了“选择自由”的漏洞，使得一个接收站向另一个接收站传递了某种信息？我们不能完全排除类似奇怪的质疑，但我们可以严格限制它。如果要用量子力学以外的一些解释来解释我们的实验结果，那就必须保证解释的假设机制能够协调所有实验测量的装置和结果，并且必须要在我们的团队观测到当晚的星光之前就起作用。为了让很久以前和很远距离外的事件成为触发接收站测量选择的来源，我们对维也纳的实验在先前的基础上又进一步改进，使得漏洞的可能性缩小了16个数量级，即1000亿倍。当汉德施泰纳的小组观察到的星光从恒星发出时，那是在600年前，那时圣女贞德还很年轻，她那时候还被朋友称作乔安妮。

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从人类的角度来看，600年是一段很长的时间，但在宇宙史上仅仅是一瞬间。毕竟，我们可观测到的宇宙已经膨胀了近140亿年。根据我们在维也纳试验中的结果，安东为我们小组争取了宝贵的使用拉帕尔马的望远镜的时间，拉帕尔马的加那利群岛上的罗克·德洛斯·穆查乔斯天文台拥有世界上最大的光学望远镜。当时我们在维也纳的实验中只能使用廉价的业余望远镜，在安东访问麻省理工学院期间，安迪、杰森和我在《天空和望远镜》杂志封底广告中看到了我们第一次测试真正所需的设备——那个拉帕尔马的大家伙，这个巨大的望远镜的每一个镜片直径都可达4米。如此巨大的光聚面，使它可以收集到更遥远的物体发出的更微弱的光线。

我们的使用机会是在2018年1月。拉帕尔马的望远镜在专业天文学家中使用率非常高，而我们小组需要同时使用其中的两台望远镜，以便协同观测。给予我们的时间窗口是在大多数天文学家使用相对淡季时，我们很快发现了原因：我们最初安排的几个观测之夜都被冻雨和冰冻耽误了。其实，在我们观测的第一个晚上，专业望远镜操作员就警告我们：如果我们不马上离开山顶，撤退到天文台总部（海拔稍低），届时下山的道路将变得无法通行，而我们租的车并没有防滑链。尽管如此，在天文台的最后一个晚上，我们幸运地遇上了一段好天气，两台望远镜完美的表现，使我们能够对来自两个不同的类星体的光进行实时测量，那可是两个可怕的拥有巨大黑洞的原始星体，我们当晚观测到的光是它们分别在80亿年和120亿年前发出的。

与我们在维也纳的测试一样，我们用激光生成了一对纠缠的光子，这对光子在山顶上的一个临时实验室里生成，并分别向0.5千米外的巨大的望远镜发射。 当纠缠的光子飞行时，每个接收点的快速反应设备正接受来自遥远类星体的光，并根据观察到的类星体光的颜色，对其纠缠光子对中的一个或另一个进行测量。正如量子理论所预测的那样，我们再次发现了“奇异”的相关性。这一次，如果还有任何可能利用选择自由漏洞来影响测量相关性的非量子力学机制的话，也至少必须在80亿年前就要启动，也就是说，这远在地球出现之前。

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像我们这样的实验，充分利用了自然界中最大的尺度来测量其最微小的、最基本的现象。除此之外，我们的探索还有助于增强下一代技术设备的安全性，例如量子加密，这种技术可以利用量子纠缠来防范黑客和窃听者。

对我来说，最大的动力仍然是探索量子理论的神奇奥秘。量子力学所描述的世界与牛顿物理学或爱因斯坦相对论的世界有着根本性的不同。事实上，量子理论似乎推动我们向着世界随机性和偶然性的本质方向探索——就像我们对历史的研究一样。散落在空间和时间的历史事件是按照一些宏伟而隐藏的计划展开的吗？还是我们一直在跟随着随机发生的事件，被不确定性所决定？如果埃勒里和托比的甜点菜单依然呈现出奇异的相关性，我想知道背后的原因。 bvXm4GaqkxYWf+O6//DyNEKnTOgF2iSdB0cM0pbKqooilafsZclcu1Uz3VzF2M/V