我们由来已久的直觉是，要移动一块石头，就必须触摸那块石头，或者触摸接触石头的棍子，或者发出命令，通过空气中的振动传到拿着棍子的人的耳朵里，然后这个人可以用棍子推石头——或者类似的步骤。更普遍地说，这种直觉是指事物只能直接影响紧挨着它们的其他事物。如果 A 没有紧挨着 B 就影响了 B，那么所讨论的影响一定是间接的——所讨论的影响一定是某种通过一系列事件传递的东西，其中每个事件直接导致下一个事件，以平滑的方式跨越从 A 到 B 的距离。每次我们认为我们可以想出一个违反这种直觉的例外——比如，拨动开关打开城市路灯（但随后我们意识到这是通过电线实现的）或收听 BBC 广播（但随后我们意识到无线电波在空气中传播）——事实证明，我们实际上并没有想到例外。至少，在我们日常的世界体验中是这样。
我们将这种直觉称为“定域性”。
量子力学颠覆了许多直觉，但没有一个比这更深刻。而这种特殊的颠覆带来了一种威胁，一种尚未解决的威胁，对狭义相对论——我们 21 世纪物理学的基石构成了威胁。
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来自外太空的物体
让我们稍微回顾一下。在量子力学出现之前，甚至可以追溯到对自然进行科学研究的最初时期，学者们认为，原则上可以通过逐一描述世界最小和最基本的物理组成部分来获得对物理世界的完整描述。世界的完整故事可以表达为组成部分故事的总和。
量子力学违反了这种信念。
集合粒子的真实、可测量的物理特征，可以以一种完全具体的方式，超越或逃避或与单个粒子的特征之和无关。例如，根据量子力学，人们可以安排一对粒子，使它们精确地相距两英尺，但它们各自都没有确定的位置。此外，理解量子物理学的标准方法，即所谓的哥本哈根解释——由伟大的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔在上个世纪早期提出，并代代相传——坚持认为，不是我们不知道关于单个粒子确切位置的事实；而是根本就没有这样的事实。询问单个粒子的位置将像询问数字五的婚姻状况一样毫无意义。问题不是认识论的（关于我们所知道的），而是本体论的（关于存在的是什么）。
物理学家说，以这种方式相关的粒子是量子力学上相互纠缠的。纠缠的属性不必是位置：两个粒子可能以相反的方式旋转，但都没有明确地顺时针旋转。或者可能只有一个粒子被激发，但没有一个是明确的被激发的粒子。纠缠可以连接粒子，无论它们在哪里，它们是什么，以及它们可能对彼此施加什么力——原则上，它们完全可能是一个电子和一个中子，位于星系的另一侧。因此，纠缠使得物质之间产生了一种以前梦寐以求的亲密关系。
纠缠是量子计算和量子密码学这些新兴且极具前景的领域背后的基础，这些领域可以提供解决某些超出普通计算机实际范围的问题的能力，以及以保证免受窃听的安全方式进行通信的能力。
但纠缠似乎也带来了深刻的诡异和彻底违反直觉的现象，称为非定域性——在不触摸某物或不触摸从此处到达彼处的任何实体系列的情况下，物理地影响某物的可能性。这就好像得梅因的一个拳头可以打断达拉斯的鼻子，而没有影响到任何其他物理事物（不是空气分子，不是电线中的电子，不是心脏地带任何地方的闪烁的光芒）。
除了其压倒性的内在奇异性之外，对非定域性的最大担忧一直是它暗示着对我们所知的狭义相对论的深刻威胁。在过去的几年里，这种旧有的担忧——最终被允许进入关于物理学的严肃思考的殿堂——已成为争论的中心，这些争论可能最终会拆除、扭曲、重新构想、巩固或播下腐烂的种子到物理学的基础中。
现实的根本性修正
阿尔伯特·爱因斯坦对量子力学有很多担忧。过度引用的关于其偶然性的担忧（“上帝不掷骰子”）只是其中之一。但他正式表达的唯一反对意见，他费心写论文的唯一反对意见，是关于量子力学纠缠的怪异性。这种反对意见是现在被称为 EPR 论证的核心，该论证以其三位作者爱因斯坦和他的同事鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森的名字命名 [参见对面页面的方框]。在他们 1935 年的论文“量子力学对物理现实的描述可以被认为是完备的吗？”中，他们用严谨的推理回答了自己的问题“否”。
他们的论证关键性地使用了量子力学配方或数学算法中的一个特定指令，用于预测实验结果。假设我们测量一个粒子的位置，该粒子与第二个粒子量子力学纠缠，因此它们各自都没有精确的位置，正如我们上面提到的。自然地，当我们得知测量结果时，我们改变了对第一个粒子的描述，因为我们现在知道它在某一时刻的位置。但该算法也指示我们改变对第二个粒子的描述——并且要瞬时地改变它，无论它可能有多远，或者两个粒子之间可能有什么。
纠缠是量子力学呈现给物理学家的世界图景中一个无可争议的事实，但这是一个其含义在爱因斯坦之前没有人过多考虑的事实。他在纠缠中看到了一些不仅仅是奇怪而是可疑的东西。这让他感到毛骨悚然。特别是，它似乎是非定域的。
当时没有人准备好接受世界上存在真正的物理非定域性的可能性——不是爱因斯坦，不是玻尔，也不是任何人。爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在他们的论文中理所当然地认为，量子力学的表面非定域性一定只是表面现象，它一定是某种数学异常或符号不当，或者，无论如何，它一定是算法中可有可无的人为产物——当然可以炮制出量子力学对实验的预测，而不需要任何非定域步骤。
在他们的论文中，他们提出了一个论点，大意是，如果（正如大家所认为的那样）世界上不存在真正的物理非定域性，并且如果量子力学的实验预测是正确的，那么量子力学一定遗漏了世界某些方面。一定有世界故事的某些部分它没有提及。
玻尔几乎在一夜之间回应了 EPR 论文。他热情洋溢地撰写的反驳信没有涉及该论文的任何具体科学论点，而是以一种晦涩难懂，有时甚至完全是神谕式的方式，对其“现实”一词的用法及其对“物理现实要素”的定义提出了异议。他详细讨论了主体和客体之间的区别，讨论了在什么条件下提出问题才有意义，以及人类语言的本质。根据玻尔的说法，科学需要的是“对我们关于物理现实的态度进行根本性修正”。
玻尔特意同意 EPR 论文中的一个观点：当然，不可能存在真正的物理非定域性。他认为，表面上的非定域性只是我们必须放弃古老而过时的渴望的又一个原因，这种渴望在 EPR 论文中表现得如此明显，即能够从量子力学方程中解读出现实的世界图景——一个关于从此刻到下一刻实际存在的事物的图景。玻尔实际上坚持认为，我们不仅透过黑暗的玻璃看世界，而且这种朦胧而不确定的观点与任何真实的事物一样真实。
玻尔的回应是对一个明确的科学问题的一种奇怪的哲学回应。更奇怪的是，玻尔的回应被奉为理论物理学的官方福音。此后，花更多时间在这些问题上成为叛教行为。因此，物理学界背弃了他们揭示世界真实面貌的旧有愿望，并在很长一段时间里将形而上学问题降级为幻想文学。
即使在今天，爱因斯坦遗产的这个关键部分仍然非常模糊。《纽约时报》畅销书，2007 年沃尔特·艾萨克森撰写的爱因斯坦传记只是向读者保证，爱因斯坦对量子力学的批评此后已得到解决。这不是真的。
被压抑者的回归
对 EPR 论证的第一次严肃的科学参与（在或多或少完全被忽视 30 年之后）出现在非凡的爱尔兰物理学家约翰·S·贝尔 1964 年的著名论文中。从贝尔的工作中可以看出，玻尔的观点是错误的，即他对量子力学的理解没有问题，而爱因斯坦对玻尔理解的什么地方出了问题也是错误的。要理解真正的问题是什么，就必须放弃定域性的概念。
关键问题是，至少在量子力学算法中表面上存在的非定域性仅仅是表面现象，还是更深层次的东西。贝尔似乎是第一个问自己这个问题到底意味着什么的人。是什么可以使真正的物理非定域性与仅仅是表面现象的非定域性区分开来？他推断，如果存在任何明显的且完全定域的算法，该算法对实验结果做出与量子力学算法相同的预测，那么爱因斯坦和玻尔就有理由将量子力学中的非定域性视为仅仅是该特定形式主义的人为产物。相反，如果没有算法可以避免非定域性，那么它们一定是真正的物理现象。然后，贝尔分析了一个特定的纠缠场景，并得出结论，在数学上不可能存在这样的定域算法。
因此，实际的物理世界是非定域的。句号。
这个结论颠覆了一切。爱因斯坦、玻尔和所有其他人一直认为，量子力学与定域性原则之间的任何真正的不相容性都将对量子力学不利。但贝尔现在已经证明，定域性不仅与量子力学的抽象理论装置不相容，而且还与它的某些经验预测不相容。实验者——特别是法国帕莱索光学研究所的阿兰·阿斯佩及其同事在 1981 年及以后的工作中——毫无疑问地证明了这些预测确实是正确的。那么，坏消息不是针对量子力学，而是针对定域性原则——因此，大概也针对狭义相对论，因为它至少似乎依赖于定域性的假设 [参见第 100 页的方框]。
形而上学的神秘之旅
对贝尔工作的主要反应——即使在今天，在许多方面仍然存在——仍然是更多的混淆。贝尔已经表明，任何能够重现量子力学对纠缠粒子对的经验预测的理论——包括量子力学本身——都必须是真正物理上的非定域的。
这个信息几乎被忽略了。相反，几乎所有人都说，贝尔表明的是，任何试图用更符合我们经典形而上学期望的东西来取代正统量子力学世界图景的尝试——任何所谓的隐变量、确定性或哲学现实主义理论——如果它能够重现量子力学对 EPR 系统的预测，就必须是非定域的 [关于贝尔结论的几个拟议的逃脱条款，请参见第 101 页的方框]。人们至少在阅读贝尔的工作，但就像通过凸面镜观看一样。
只有极少数物理学家设法避免了这种特殊的误解，并理解了贝尔的证明和阿斯佩的实验意味着世界本身已被发现是非定域的，但即使是他们也几乎普遍认为，这里所讨论的非定域性对狭义相对论没有构成特殊的威胁。
这种信念源于这样一种观点，即狭义相对论与传输消息的速度不可能超过光速密不可分。毕竟，如果狭义相对论是正确的，人们可以论证，没有任何消息的物质载体可以从静止加速到大于光速的速度。人们可以论证，根据某些时钟，以快于光速传输的消息将是在消息发送之前到达的消息，这可能会引发所有的时间旅行悖论。
早在 1932 年，杰出的匈牙利数学家约翰·冯·诺伊曼就证明了，量子力学的非定域性永远无法被转化为瞬时传输消息的机制。几十年来，几乎整个理论物理学界都将冯·诺伊曼的证明视为量子力学非定域性和狭义相对论可以完美和平共处的保证。
非定域经验的变体
在贝尔的论文发表后又过了 30 年，物理学家们才最终正视这些问题。第一次清晰、持续、逻辑上完美无瑕且毫不妥协地坦诚讨论量子非定域性和相对论的文章出现在 1994 年，蒂姆·莫德林（现任纽约大学教授）撰写的一本同名书籍中。他的工作强调了非定域性和狭义相对论的兼容性是一个比基于瞬时消息的传统陈词滥调让我们相信的更为微妙的问题。
莫德林的工作发生在一个新的、深刻的知识环境转变的背景下。从 20 世纪 80 年代初开始，玻尔的信念——即不可能对亚原子世界进行老式的、哲学现实主义的解释——在各处都明显开始减弱。到那时，许多有希望的具体科学提议似乎提供了一种很好的解释，至少在忽略狭义相对论效应的近似中是这样。这些提议包括英国的大卫·玻姆的玻姆力学（在 20 世纪 50 年代早期发展起来，是贝尔工作的灵感来源，但在其他方面基本上被忽视）和意大利的吉安卡洛·吉拉迪、阿尔贝托·里米尼和图里奥·韦伯的 GRW 模型。物理学成为形而上学指南的旧有愿望，即直接而直截了当地告诉我们世界实际是什么样子的愿望——这些愿望已经休眠和被忽视了 50 多年——开始慢慢地重新觉醒。
莫德林的书重点关注了三个重要观点。首先，狭义相对论是对空间和时间几何结构的断言。质量或能量或信息或因果影响不可能以快于光速的速度传输——这些要求本身甚至都远不足以保证该理论关于几何结构的断言是正确的。因此，冯·诺伊曼关于消息传输的证明本身并不能向我们保证量子力学非定域性和狭义相对论可以和平共处。
其次，狭义相对论的真理（事实上）与大量假设的超光速传输质量、能量、信息和因果影响的机制完全兼容。例如，在 20 世纪 60 年代，哥伦比亚大学的杰拉尔德·范伯格发表了一个内部一致且完全相对论的假设粒子物种——快子——的理论，对于这种粒子来说，物理上不可能以慢于光速的速度运动。莫德林发明了其他例子。
因此，量子力学中非定域性的纯粹存在本身并不意味着量子力学不能与狭义相对论共存。因此，或许还有希望。
正如莫德林在他的第三个观点中强调的那样，然而，我们在量子力学中遇到的特定种类的超距作用与范伯格的快子或莫德林的其他例子所例证的种类完全不同。量子力学粒子可以非定域地相互影响的方式令人费解之处在于，它不依赖于粒子的空间排列或它们的内在物理特性——正如前面段落中提到的所有相对论影响那样——而只依赖于所讨论的粒子是否在量子力学上相互纠缠。
在量子力学中遇到的一类非定域性似乎需要绝对的同时性，这将对狭义相对论构成非常真实和不祥的威胁。
这就是症结所在。
狭义相对论的希望？
在过去的几年里，从这场讨论中出现了两个新的结果——朝着奇怪的不同方向发展。第一个结果提出了一种量子力学非定域性可能与狭义相对论兼容的方式；另一个结果揭示了量子力学和狭义相对论的结合对我们对世界的最深刻直觉的新打击。
第一个结果出现在年轻的德国数学家，现任罗格斯大学教授罗德里奇·图姆卡在 2006 年发表的一篇令人震惊的论文中。图姆卡展示了如何通过巧妙地修改 GRW 理论（回想一下，该理论提出了一种哲学现实主义的方式来在许多情况下获得量子力学的预测）来重现量子力学对纠缠粒子对的所有经验预测。这种修改是非定域的，但它与狭义相对论的时空几何完全兼容。
这项工作仍处于起步阶段。还没有人能够写出一个令人满意的图姆卡理论版本，该理论可以应用于相互吸引或排斥的粒子。此外，他的理论在自然规律中引入了一种新的非定域性——不仅在空间上，而且在时间上！要使用他的理论来确定接下来会发生什么的概率，人们不仅必须插入世界当前的完整物理状态（这在物理理论中是惯例），还必须插入关于过去的某些事实。该特征和其他一些特征令人担忧，但图姆卡肯定消除了一些莫德林对量子力学非定域性无法与狭义相对论和平共处的担忧的理由。
另一个最近的结果，由我们其中一位（艾伯特）发现，表明结合量子力学和狭义相对论要求我们放弃我们另一个原始的信念。我们相信，关于世界的一切都可以原则上以叙述或故事的形式表达出来。或者，用更精确和技术性的术语来说：关于一切可以说的事情都可以打包成一组无限多的命题，形式为“在 t1 时刻，这是世界的精确物理条件”和“在 t2 时刻，那是世界的精确物理条件”，等等。但是，量子力学纠缠现象和狭义相对论的时空几何——结合在一起——意味着世界的物理历史过于丰富，无法做到这一点。
像量子力学中的大多数理论结果一样，该结果涉及操纵和分析一个称为波函数的数学实体，埃尔温·薛定谔在八十年前引入了这个概念来定义量子态。物理学家正是从波函数中推断出纠缠的可能性（实际上是必然性）、粒子具有不确定位置等等。正是波函数构成了关于量子力学非定域效应的难题的核心。
但波函数到底是什么呢？物理学基础的研究者们现在正在积极地辩论这个问题。波函数是一个具体的物理对象，还是更像一个运动定律，或者粒子的内在属性，或者空间点之间的关系？或者它仅仅是我们当前关于粒子的信息？或者什么？
量子力学波函数无法用小于令人难以置信的高维空间（称为构型空间）的任何数学形式表示。如果像一些人认为的那样，需要将波函数视为具体的物理对象，那么我们需要认真对待这样一种观点，即世界的历史不是在我们日常经验的三维空间或狭义相对论的四维时空中展开，而是在这个巨大而陌生的构型空间中展开，而三维的错觉不知何故从中产生。我们三维的定域性概念也需要被理解为涌现的。量子物理学的非定域性可能是我们进入更深层次现实的窗口。
在狭义相对论被提出给世界仅仅一个多世纪之后，它的地位突然变成了一个完全开放且快速发展的问题。这种情况的出现是因为物理学家和哲学家最终追查了爱因斯坦长期被忽视的与量子力学的争论的遗留问题——这进一步证明了爱因斯坦的天才，充满了讽刺意味。他最终可能会被证明在他被广泛认为正确的地方是错误的，而在他被广泛认为错误的地方是正确的。