量子纠缠这种“神奇”理论在未来是否可以超越相对论？

经过了很长时间，相对论仍然是21世纪物理学建设的基石。

然而，自从克劳塞尔在1978年和阿斯珀在1982年证明贝尔不等式不成立以来，相对论的基础——光速不变，或者说，光速是自然运动的极限这一“金科玉律”被否认。

特别是后来对多光子量子纠缠的实验研究证明，在量子世界中，相互作用可以超越空间和光的速度，并且是非局域的。所以一些物理学家开玩笑说量子世界里有“小精灵的怪癖”，当然，这只是所有无助的物理学家自嘲的一种方式。

在量子世界中，相对论的基本假设是完全无效的，这已经成为21世纪物理学中最具挑战性的问题之一。

EPR关联之谜

量子理论建立后，以爱因斯坦为代表的古典物理学家的柏林学派与以博尔纳为代表的哥本哈根学派在量子理论的哲学基础上展开了争论。

在之前的索尔维会议上，爱因斯坦和波尔就量子理论的哲学基础进行了几次针锋相对的辩论。最后，当希特勒上台并迫害犹太人，爱因斯坦被迫离开德国时，爱因斯坦和波尔之间的争论结束了。

爱因斯坦和他的两个年轻的同事，波多尔斯基和罗森，来到普林斯顿大学定居美国。他们在20世纪30年代又对玻尔进行了一次攻击，目标是“不确定原理”。挑战论文由三位作者名字的第一个英文字母缩写为EPR paradox。

这就是EPR悖论

想象一对粒子(如电子)处于所谓的单态，它们的自旋相互抵消，因此总自旋为零。假设粒子A和粒子B分离，测量粒子A沿一定方向的自旋，结果为“上”。由于粒子对的自旋为零，这意味着粒子B的自旋总是沿着相同的方向“向下”。

然而，根据波尔所代表的哥本哈根学派的解释，粒子A的自旋在被测量之前没有确定的值。当测量粒子A的自旋时，不可避免地会对粒子B产生瞬时影响，使粒子B的自旋波函数坍缩到相反的状态，即“向下”状态。这种不寻常的作用机制需要超距离的相互作用，或超光速的传输。但从相对论的观点来看，这是不允许的。

爱因斯坦和他的合作者确信，这种现象预示着量子理论和相对论之间的冲突，量子理论是不完整的。这个重要的观点就是爱因斯坦学派的“可分离原理”，后来被称为“局部性原理”。当玻尔阅读爱因斯坦关于局部性原理的论文时，玻尔的反应非常平淡。他仍然持有哥本哈根学派“主体和客体是不可分割的”的旧观点，坚持粒子行为的概率解释，认为微观世界与宏观世界有着不同的“特殊规律”。EPR相关并不能解释量子理论的不完全性。

显然，波尔的回答过于苍白，无法解决EPR相关性难题的核心:一旦EPR相关性存在，经典量子理论与相对论将发生严重冲突。

在20世纪30年代以后的很长一段时间里，许多一流的物理学家试图验证EPR的相关性，但没有一个人成功。1960年，才华横溢的北爱尔兰物理学家贝尔(Bell)从欧洲粒子研究中心(CERN)休了一年的学术假，最终提出了一个大胆的不等式来测试EPR的相关谜题。

贝尔不等式的提出与验证

为了推导不等式，贝尔引用了前人的一些著名经典理论。此外，他还假设爱因斯坦的局部性原理是正确的。如果未来的实验证明不等式是无效的，那么导致不等式的要么是量子理论的前提错误，要么是自然界的“非局部性”。

1978年，美国加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的克劳瑟(Clausser)和1982年法国巴黎大学(Asper)的阿斯珀(Asper)发现了贝尔不等式不成立的实验证据。实验证明，虽然局部性在表面上是合理的，但量子世界实际上是由一种看不见的、未知的原理支配的。它不需要中介体，通过超腔或瞬时效应连接。这无疑是对“运动不能超过光速”的相对论最严重的打击。

近年来，物理学家将光子相互作用的数量从2个增加到8个，这也违反了贝尔不等式。同时，在20世纪90年代初，物理学家将这种现象命名为“量子纠缠”。

目前，物理学家正在将光子相互作用的数量扩展到16个光子系统。

量子纠缠对当代物理学的影响

量子纠缠已经被发现40年了。目前，物理学家正在将其扩展到多光子系统，试图通过量子纠缠实现远距离通信，并开发量子计算机。

量子纠缠的非局部性对经典相对论有很大的影响。相对论的第一个经验假设，即光速不变原理，在量子纠缠的情况下失败了。在量子纠缠的世界里，粒子之间的相互作用可以超越时间和空间的瞬间，甚至不需要任何介质。然而，到目前为止，物理学家还不知道为什么量子系统和相对论中超越时空的“瞬时作用”与相对论之间存在着明显的冲突，只能在黑暗中推测。

近年来，一些学者提出了“相空间理论”来解释量子纠缠。然而，由于该理论仍然是基于经典量子理论，并没有添加新的物理原理，这只是一种尝试，并没有得到物理学界的认可。

同样，有些人试图修改相对论使之与量子理论相容，但他们无法避免光速是恒定的这一基本假设。

可以说，在一个新的量子纠缠已经被发现了40年的世界里，当代物理学家仍然不知所措。承认量子纠缠的存在就等于承认量子世界中相对论的一个基本假设，光速恒定的原理是错误的，从而颠覆了相对论物理学的整个架构。但对于未来，新的物理建设，超越相对论是必要的。

科学的进步总是在新的发现的基础上提出新的理论来代替旧的理论。EPR相关之谜起源于20世纪30年代，并在80年代得到了实验验证，从而导致了量子纠缠的新现象。这个奇特的现象挑战了一个多世纪以来的相对论基本假设(光速是自然运动的极限)，为相对论的终结打开了希望之门。

在21世纪，物理学家已经将量子纠缠粒子的数量扩展到多光子系统。随着实验的深入，相信我们面前将会有一个新的物理世界，随之而来的物理新原理将会被发现，这将会超越已经走过一个世纪的相对论。