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，或者触摸一根接触石头的棍子，或者发出一个命令，通过空气中的振动传到拿着棍子的人的耳朵里，然后那个人就可以推石头——或者诸如此类的顺序。更一般地说，这种直觉是，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，在这一系列事件中，每个事件直接地引起下一个事件，以一种平滑地跨越从 A 到 B 的距离的方式。每次我们认为我们可以想出一个与这种直觉相悖的例外——例如，拨动一个开关，打开城市路灯（但随后我们意识到这是通过电线发生的）或收听 BBC 无线电广播（但随后我们意识到无线电波在空气中传播）——结果证明，事实上，我们并没有想到一个例外。至少在我们的日常世界经验中是如此。
我们将这种直觉称为“局域性”。
量子力学颠覆了许多直觉，但没有一个比这个更深刻。而这种特殊的颠覆带来了一种威胁，这种威胁尚未解决，对狭义相对论——我们 21 世纪物理学的基础石——构成了威胁。
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来自外太空的东西 让我们稍微回顾一下。在量子力学出现之前，事实上可以追溯到对自然进行科学研究的最初开端，学者们认为，原则上，可以通过逐一描述世界上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。
粒子集合的真实、可测量的物理特征，可以以一种完全具体的方式，超过或逃避或与单个粒子的特征总和无关。例如，根据量子力学，可以安排一对粒子精确地相距两英尺，但它们中的任何一个粒子本身都没有确定的位置。此外，理解量子物理学的标准方法，即所谓的哥本哈根诠释——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，这并不是我们不知道关于单个粒子确切位置的事实；而是根本没有这样的事实。询问单个粒子的位置，就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（关于存在的事物）。
物理学家说，以这种方式相关的粒子在量子力学上彼此纠缠。纠缠的属性不一定是位置：两个粒子可能以相反的方式自旋，但没有一个明确地顺时针旋转。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那个。纠缠可以连接粒子，而不管它们在哪里，它们是什么，以及它们可能对彼此施加什么力——原则上，它们完全有可能是一个电子和一个中子，位于银河系的两侧。因此，纠缠创造了一种物质之间前所未有的亲密关系。
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，以及以保证安全免受窃听的方式进行通信的能力 [参见“离子量子计算”，作者 Christopher R. Monroe 和 David J. Wineland；大众科学，2008 年 8 月]。
但是，纠缠似乎也蕴含着一种深刻的、令人毛骨悚然的且彻底违反直觉的现象，称为非局域性——在不触摸某物或不触摸任何从这里到那里的实体序列的情况下，物理地影响某物的可能性。非局域性意味着，在得梅因的一个拳头可以打断达拉斯的鼻子，而不会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，不是心土中任何地方的闪烁光芒）。
除了其内在的怪异性之外，对非局域性的最大担忧是，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、巩固或播下衰败的种子，进入物理学的最基础。
对现实的彻底修正 阿尔伯特·爱因斯坦对量子力学有很多担忧。关于其偶然性的过度引用的担忧（“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，他唯一费心写论文的意见，是关于量子力学纠缠的古怪之处。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。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，他们用一个严谨推理的“否”来回答他们自己的问题。
他们的论证关键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在量子力学上纠缠——因此，如上所述，它们中的任何一个粒子都没有精确的位置。自然地，当我们了解测量结果时，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，并瞬时地改变它，无论它可能有多远，或者两个粒子之间可能存在什么。
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认真思考过的事实。他在纠缠中看到了某种不仅仅是奇怪的东西，而是可疑的东西。它让他感到毛骨悚然。它似乎，特别是，是非局域的。
当时没有人准备好接受世界中存在真正的物理非局域性的可能性——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，量子力学的表面上的非局域性一定只是表面的，它一定是某种数学上的异常或符号上的不恰当，或者，无论如何，它一定是该算法的可有可无的产物——当然可以炮制出量子力学对实验的预测，而不需要任何非局域步骤。
在他们的论文中，他们提出了一个论证，大意是，如果（正如每个人所假设的那样）世界中不存在真正的物理非局域性，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的描述。一定有世界故事的某些部分是它未能提及的。
玻尔几乎在一夜之间就回应了 EPR 论文。他匆忙写成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的方式，质疑其对“现实”一词的使用及其对“物理现实要素”的定义。他详细讨论了主体和客体之间的区别，在什么条件下提问才是有意义的，以及人类语言的本质。根据玻尔的说法，科学所需要的是“对我们关于物理现实的态度进行彻底的修正”。
玻尔特意同意 EPR 论文中的一点：当然，不可能存在真正的物理非局域性。他认为，表面上的非局域性只是我们必须放弃那种古老且过时的渴望的另一个原因，这种渴望在 EPR 论文中如此明显，即能够从量子力学的方程中解读出现实的世界图景——一个关于从此刻到彼刻实际存在的事物的图景。玻尔实际上坚持认为，我们不仅透过昏暗的玻璃看世界，而且这种模糊不清的观点与任何真实的事物一样真实。
玻尔对一个明确的科学问题做出了一个奇怪的哲学回应。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，再花更多时间在这些问题上就变成了叛教。因此，物理学界背弃了他们揭示世界真实面貌的旧有愿望，并在很长一段时间内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。2007 年畅销书沃尔特·艾萨克森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。但事实并非如此。
被压抑者的回归 对 EPR 论证的第一次严肃的科学参与是在（或多或少完全被忽视 30 年后）非凡的爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔 1964 年的一篇著名论文中出现的。从贝尔的工作中可以看出，玻尔错了，他的量子力学理解并没有错，而爱因斯坦也错了，错在玻尔理解的什么地方。要理解真正错误的地方，就必须放弃局域性的概念。
关键问题是，至少在量子力学算法中出现的非局域性仅仅是表面的，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。是什么使真正的物理非局域性与仅仅是表面的非局域性区分开来？他推断，如果存在任何明显且完全局域的算法，其对实验结果的预测与量子力学算法的预测相同，那么爱因斯坦和玻尔将有理由驳回量子力学中的非局域性，认为它仅仅是该特定形式主义的产物。相反，如果没有算法可以避免非局域性，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局域算法。
因此，实际的物理世界是非局域的。句号。
这个结论颠覆了一切。爱因斯坦、玻尔和其他所有人一直认为，量子力学与局域性原则之间的任何真正的不相容都将对量子力学不利。但贝尔现在已经表明，局域性不仅与量子力学的抽象理论体系不相容，而且也与其某些经验预测不相容。实验者——尤其是法国帕莱索光学研究所的阿兰·阿斯佩及其同事在 1981 年及之后的工作——已经毫无疑问地表明，这些预测确实是正确的。那么，坏消息不是针对量子力学，而是针对局域性原则——因此，大概也针对狭义相对论，因为它至少看起来依赖于局域性的假设。
形而上学的神秘之旅 对贝尔工作的最主要反应——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——都必须是真正的物理非局域的。
这个信息几乎被忽略了。相反，几乎每个人都说，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、决定论或哲学实在论理论——如果它能够重现量子力学对 EPR 系统的预测，就必须是非局域的。人们至少在阅读贝尔的作品，但就好像透过凸面镜观看一样。
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局域的，但即使是他们也几乎普遍认为，这里所讨论的非局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念，即狭义相对论与不可能以快于光速的速度传输信息密切相关。毕竟，如果狭义相对论是正确的，人们可以论证，任何信息的物质载体都不能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，以快于光速传输的信息将是先于发送到达的信息，可能会引发所有时间旅行的悖论。
早在 1932 年，杰出的匈牙利数学家约翰·冯·诺伊曼就证明，量子力学的非局域性永远不能被转化为瞬时传输信息的机制。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局域性和狭义相对论可以完全和平共处的保证。
非局域经验的种类 在贝尔的论文发表 30 年后，物理学家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率讨论量子非局域性和相对论的文章出现在 1994 年，由罗格斯大学的蒂姆·莫德林撰写的一本标题恰好是《量子非局域性与相对论》的书中。他的工作突出了非局域性与狭义相对论的兼容性是一个比传统上基于瞬时信息的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智力环境发生深刻转变的背景下。从 20 世纪 80 年代早期开始，玻尔的信念——亚原子世界不可能有老式的、哲学上现实主义的解释——开始在各处明显地减弱。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如此。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，但在其他方面基本上被忽视）和意大利的吉安卡洛·吉拉尔迪、阿尔贝托·里米尼和图里奥·韦伯的 GRW 模型 [参见“玻姆的量子力学替代方案”，作者 David Z Albert；大众科学，1994 年 5 月]。物理学作为形而上学指南，直接且直截了当地告诉我们世界实际是什么样子的旧有愿望——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要点。首先，狭义相对论是对空间和时间的几何结构的断言。不可能以快于光速的速度传输质量或能量或信息或因果影响——这些要求本身甚至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·诺伊曼关于信息传输的证明本身并不能向我们保证量子力学非局域性和狭义相对论可以和平共处。
其次，狭义相对论的真实性（实际上）与大量假设的机制完全兼容，这些机制用于以快于光速的速度传输质量和能量以及信息和因果影响。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种类——快子——的理论，对于这种粒子来说，物理上永远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，量子力学中非局域性的单纯存在本身并不意味着量子力学不能与狭义相对论共存。所以也许还有希望。
然而，正如莫德林在他的第三点中强调的那样，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它例子所例证的那种完全不同。量子力学粒子可以非局域地相互影响的方式的神秘之处在于，它不取决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——而只取决于所讨论的粒子是否在量子力学上彼此纠缠。
在量子力学中遇到的那种非局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，从这场讨论中涌现出两个新的结果——朝着截然不同的方向发展。第一个结果提出了一种量子力学非局域性可以与狭义相对论相兼容的方式；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罗德里奇·图穆尔卡（现任职于罗格斯大学）2006 年发表的一篇令人震惊的论文中。图穆尔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上现实主义的方式来获得许多情况下的量子力学预测）来重现量子力学对纠缠粒子对的所有经验预测。这种修改是非局域的，但它与狭义相对论的时空几何结构完全兼容。
这项工作仍处于起步阶段。还没有人能够写出令人满意的图穆尔卡理论版本，该版本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局域性——不仅在空间上，而且在时间上也是非局域的！要使用他的理论来确定接下来会发生什么的概率，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。这个特征和其他一些特征令人担忧，但图穆尔卡肯定消除了一些莫德林的担忧，即量子力学非局域性无法与狭义相对论和平共处。
另一个最近的结果，由我们中的一位（阿尔伯特）发现，表明结合量子力学和狭义相对论需要我们放弃另一个原始信念。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：一切可以表达的东西都可以打包成一组无限的命题，形式为“在 t1 时，这是世界的精确物理状态”和“在 t2 时，那是世界的精确物理状态”，等等。但是量子力学纠缠现象和狭义相对论的时空几何结构——结合在一起——意味着世界的物理历史在无限程度上过于丰富，无法做到这一点。
问题在于，狭义相对论倾向于以一种方式将空间和时间混合在一起，这种方式将不同物理系统之间的量子力学纠缠转变为类似于不同时间物理状况之间的纠缠——这种纠缠以一种完全具体的方式超过或逃避或与不同时间瞬间的任何状况总和无关。
与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，波函数是埃尔温·薛定谔在八十年前引入的概念，用于定义量子态。物理学家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。波函数是关于量子力学非局域效应的谜题的核心。
但是，它到底是什么？物理学基础研究人员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，还是类似于运动定律或粒子的内在属性或空间点之间的关系？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在任何小于令人难以置信的高维空间（称为组态空间）的数学空间中表示。如果，正如一些人认为的那样，波函数需要被认为是具体的物理对象，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，而是在这个巨大且陌生的组态空间中展开，从这个空间中，三维的幻觉以某种方式出现。我们三维的局域性概念也需要被理解为涌现的。量子物理学的非局域性可能是我们了解这个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彻底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跟进了爱因斯坦长期以来被忽视的与量子力学的论证的遗留问题——这是一个充满讽刺意味的进一步证明爱因斯坦天才的证据。这位被贬低的宗师很可能在我们认为他正确的地方错了，而在我们认为他错误的地方对了。事实上，我们或许可以通过没有那么昏暗的玻璃来看待宇宙，而不是长期以来坚持认为的那样。
编者注：本文最初发表时的标题为“量子力学对狭义相对论的威胁”