本文发表于大众科学的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映大众科学的观点
科学领域的许多伟大进步都以发现我们曾认为是自然界基本面的事物实际上是一种幻觉为标志，这是我们感官感知粗糙的结果。因此，空气和水在我们看来是连续的流体，但更深入的实验发现它们是由原子构成的。地球在我们看来是静止的，但更深入的理解告诉我们，它相对于太阳和银河系是运动的。
一种持续存在的错觉是，物理物体仅与其附近的物体相互作用。这被称为定域性原理。我们可以通过以下定律更精确地表达这个想法：任何两个物体之间的力强度都会迅速下降——至少按它们之间距离的某个幂次下降。这可以用以下假设来解释：物体不是直接相互作用，而是仅通过场的介质相互作用，例如电磁场，电磁场从一个物体传播到另一个物体。场在传播时会扩散，场线覆盖的面积不断增大——为电荷和质量之间的力按它们之间距离的平方下降的定律提供了自然的解释。
定域性是一种更引人注目的错觉的一个方面：我们存在于一个绝对空间中，相对于这个绝对空间，我们在“穿过”它时标记我们的位置。因此，艾萨克·牛顿认为，运动最终被定义为相对于绝对空间的位置变化。如果这看起来很模糊——因为没有任何测量可以确定物理物体与这个想象中的绝对空间的关系——牛顿向我们保证，绝对空间是上帝看到的，这使得您相对于它的位置成为世界神圣性的一个方面。我们人类必须满足于相对位置和运动——这些位置和运动是相对于我们可以看到的物理物体来定义的。
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戈特弗里德·威廉·莱布尼茨打破了神秘化，他宣称，存在的一切都是相对位置和运动。他作为一项原则提出，任何可接受的运动科学都必须仅用相对运动来表述。在等待了两个世纪之后，阿尔伯特·爱因斯坦在他的广义相对论中将此交付给了我们。在这个辉煌的构建中，空间被并入了时空中，时空可以解释为一个动态演化的关系网络。
那么，是什么定义了这些关系呢？只有因果关系。时空的要素是事件——定域性的最终表达——并且每个事件都是由其过去的事件引起的。每个事件也将成为未来事件的原因。时空几何形状中的大部分信息实际上是对与事件相关的因果关系的编码。
因此，我们看到物理力必须局部作用的想法是更深层原理的结果，即物理效应具有因果过程。相对论的基本原理坚持认为，原因只能以有限的速度在空间中传播，而速度不能超过光速。我们称之为相对论因果关系原理。
这个原理似乎如此自然，以至于它一定是真的。但别急。迄今为止发现的所有奇怪的量子物理学方面，最奇怪的必须是令人震惊的发现，即相对论因果关系原理被量子现象所违反。粗略地说，如果两个粒子相互作用然后分离，彼此远离，但它们仍然可能继续共享一种奇怪的属性，这种属性可能归因于这对粒子，而每个个体本身没有任何确定的属性。我们说这两个粒子是“纠缠的”。
当两个粒子处于这种纠缠态时，实验者可以发现，通过选择测量另一个粒子的某些特定对应属性，可以直接且立即地影响其中一个粒子的属性。即使需要比光速快得多的信号才能直接产生这种影响，也无关紧要。
自 1970 年代以来进行的许多实验已经证明了这一点，这些实验检验了约翰·贝尔在 1964 年提出的定域性概念——所有结果都表明，纠缠对违反了定域性概念。
就其目前的形式而言，量子力学仅预测包括这些实验在内的许多类型实验结果的统计平均值。因此，不可能利用纠缠对中存在的非定域性来发送比光速更快的信号。但是，许多物理学家，抱着可以追溯到爱因斯坦、路易·德布罗意、埃尔温·薛定谔和其他量子力学发明者的雄心壮志，渴望发现量子理论的改进版本。
这将更深入，并将目前的统计理论替换为更完整的理论，这将提供对每个单独量子过程中发生的事情的完整而精确的描述。为了使这样的理论有效，它必须基于以任意快于光速的速度传播的影响，从而破坏相对论因果关系原理，以及我们对局部影响的直观概念。
是否有可能对量子物理学进行更完整的理解？我们该如何寻找它？我相信这不仅是可能的，而且是物理学进步中不可避免的下一步。我相信量子力学的完成将是解决另一个深刻问题——统一我们对引力、时空和量子的理解，以产生量子引力理论——的重要组成部分。
原因是，有充分的证据表明，量子引力理论本身将引发对定域性的重大违反。正如当时在 Perimeter Institute 的 Fotini Markopoulou 和我于 2003 年首次提出的那样，量子引力迫使我们违反定域性正是解释量子纠缠带来的非定域性所需要的。
如果我们想要拥有完整的物理学，我们必须将广义相对论给出的时空几何图景与量子物理学统一起来。有一些理论证据表明，使引力量子化的项目将需要空间和时空变得离散，并由有限的几何原子构成。
正如液体只是对无数原子集体运动的描述一样，空间和时空也将被证明只是谈论大量原子事件的集体属性的一种方式。它们的不断出现和消失，导致下一个事件随着它们消退到过去，构成了世界的持续构建——我们也称之为时间的流逝。
量子引力理论的目标首先是假设支配基本事件的定律，通过这些定律，它们不断地产生，然后消退到过去。然后，我们必须展示如何出现一个大规模图景，其中这些离散事件被包含在对平滑连续时空的涌现描述中——正如爱因斯坦 1915 年的广义相对论所描述的那样。
最初没有空间——只有一个个基本事件的网络，以及表达哪些事件是其他事件的直接原因的关系。事件流集体产生时空几何形状的平滑描述的概念必须出现——其中最重要的方面是定域性。距离的概念必须出现，并且以这样一种方式出现，即彼此靠近的事件平均而言，相应地更有可能相互影响。正确理解这一点是量子引力理论家的圣杯。
请注意，如果这是正确的，则存在两种定域性概念：一种基本定域性，它基于哪些基本事件是哪些事件的原因的实际事实；另一种近似的、集体的、涌现的定域性概念，即哪些事件在空间和时空中彼此靠近。熟悉的宏观距离概念然后基于对无数基本因果过程的集体平均。为了了解这个平均值涉及多少，我们预计在每秒钟内，每立方厘米的空间内会发生大约 10120 个基本事件。
事实上，接近量子引力的一种方法是旨在从热力学定律中推导出爱因斯坦方程，热力学定律适用于无数基本事件的时空。马里兰大学学院公园分校的 Ted Jacobson 于 1995 年在一篇受到所有条纹的量子引力理论家钦佩的少数论文中介绍了这一策略。
但在这里我们得到了一个惊喜，并且很可能是一个机会。因为集体的、大规模的邻近概念旨在对应于基本因果关系概念，当在大量事件上平均时。这给了各个基本事件及其因果关系很大的自由来偏离平均值。
例如，让我们挑选两个基本事件，一个在您现在喝的咖啡杯中，另一个在比邻星行星之一上的人们喝的任何东西的杯子中。这些事件可能相隔四光年——但没有什么可以阻止其中一个成为另一个的基本原因。
我们可以选择这两个事件，使它们在我们（或比邻星人）测量时间时几乎同时发生。因此，让其中一个事件成为另一个事件的原因违反了爱因斯坦相对论的原理。但是，如果我们认为相对论定律是支配集体大规模平均值的涌现规律，则不必存在矛盾。这正是我们将热力学定律视为从大量原子的平均值中产生的，这些原子遵循不同的定律。
当定律从统计平均值中涌现出来时，总是会有相对罕见的事件，其中单个原子违反了平均而言成立的规则。我们称这些为涨落。一个很好的例子是原子集合在冷却时形成规则晶体图案的趋势。但是，原子有时会最终出现在错误的位置，破坏晶体排列的美丽对称性。我们说图案变得无序了。
然后，我可以总结我一直在讲述的故事，即当定域性和空间本身从对涉及无数个别事件的基本过程进行平均时涌现出来时，定域性不可避免地会变得无序。大多数情况下，影响将是局部的，因为大多数时候，因果相关的事件最终会在我们称之为空间的涌现粗略描述中彼此靠近。但是，会有许多对事件是因果相关的，但最终会彼此远离——从而使空间和定域性无序。
定域性的这种无序是否可以解释纠缠粒子中固有的量子非定域性？我相信答案是肯定的。事实上，我们已经证明这在量子力学的两种不同基本完成模型中都是如此。
细节并不重要，尤其是在这个早期阶段。但最重要的教训是，物体由于在空间中彼此靠近而相互影响的直观想法很快将成为另一种简单的信念，当我们深入观察时，这种信念会被证明是错误的。空间的平滑性很快将成为一种幻觉，它隐藏着一个微小而复杂的因果相互作用世界，这些相互作用不是存在于空间中，而是定义和创造空间，因为它们从现在创造未来。