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江西新余罗勇、甘肃兰州白家林等读者来信问，量子世界里幽灵似的超距作用究竟是怎么回事？为什么能有这样的超距作用？本文就从科学原理和科学家的实验来介绍这种超距作用的来龙去脉。
所谓超距作用，说的是相隔一定距离的两个物体之间存在直接的、瞬时的相互作用，不需要任何媒质传递，也不需要任何传递时间，像鬼魅一样。但这种作用在宏观世界是不存在的，只存在于微观的粒子世界。而且并不是任意两个粒子之间都有超距作用，必须是处于纠缠状态的两个粒子之间才会有——当两个粒子互为纠缠时，单独地干扰其中任意一个粒子的状态，会不可避免地瞬时影响到另一个粒子的状态，尽管两个粒子可能相隔很长的距离。这种现象称为量子纠缠现象。
超距作用的实验原理
下面我们来介绍一下产生一对纠缠光子的最为简单的方法。首先，让一束很强的激光通过一种特殊的晶体（例如偏硼酸钡晶体），虽然激光束内大部分的光子会直接穿过晶体，不过，有一些光子会被晶体一分为二，分割成为一对光子。对于其中的一对光子来说，根据动量守恒定律的要求，这两个光子将有相互垂直的偏振方向，因此一个是“水平的”，那么另一个必须是“垂直的”。但哪个是哪个呢？量子力学并不能给我们这个答案。事实上，根据量子力学原理，这对光子中的每一个光子都会处于由水平和垂直的两种状态构成的叠加态中（叠加态指的是量子系统的各种状态线性叠加起来的一种状态），也就是说光子可以同时地处在各种可能的状态之中，直到它被测量到为止。我们只能通过量子力学计算出在测量时其中的一个状态出现的概率。所以说，对其中的一个光子进行测量，它的状态包括偏振方向才会被确定下来。而在这测量的一刹那，另一个光子的状态也被确定下来，不管你何时去测量它，其偏振方向与上一个光子垂直。
这个现象是遵循量子力学原理的，但它却违背了经典物理学的逻辑。
试想一下，测量第一个光子之后，发现它的偏振方向是“水平的”，那么根据要求，第二个光子的偏振方向立刻变为“垂直的”，不管你是否测量和何时去测量。但是，如果两个光子相距很远的话，例如这两个光子分别处在两个相聚很远的星系之中，这样在测量时它们是来不及互相沟通的，那么第二个光子是怎么“知道”得要改变状态了呢？换句话说，对第一个光子的测量似乎有什么瞬间作用影响了第二个光子。
经典物理学遵循局域性原理，指的是物体只能直接被毗邻区域发生的事件所影响。但超距作用的存在，违背了这一原理。爱因斯坦就曾把这一现象称为“鬼魅般的超距作用”。不过，你并不能利用量子纠缠现象去发送通信信息，因为每次测量结果你是无法掌控的，你也无法对其进行编码来发消息了。
有没有隐藏起来的变量？
多年来，物理学家一直在思考，这种现象之所以如此不可思议，是否是因为有某些隐藏起来的变量（简称隐变量）在背后捣鬼呢？如果有，那么这种隐变量是什么呢？
我们知道，抛硬币是完全遵循经典力学的，也就是说抛出的硬币每个时刻的状态应该都是确定的。它最终的状态之所以会显示出随机性，是因为我们不了解硬币刚抛出去时的详细信息，例如硬币抛出时速度是多少，它是怎么转的，受到的空气阻力有多少等等，而且要想了解这些你还得知道之前手掌产生的力是怎么作用到硬币上的等等。这些信息就是我们所忽视的隐变量。如果我们把这些隐变量全都算进去的话，那么我们就可以精准地推测出每次抛硬币的结果。就像有人能掌握抛骰子时的力度和方向，所以想要几点就可以抛出几点一样。
同样，量子纠缠现象的存在，也可能是因我们忽视了某种隐变量而产生的。也就是说，对于一对纠缠粒子，它们被测量时体现出的状态，其实是在它们产生后分开的那一刹那就已经完全决定了的。之所以我们无法预期每个测量结果，不过是我们无法了解其中的隐变量。所以说，这两个粒子之间并没有什么超距的作用。
然而，科学家多年的实验，并没有找到什么隐变量，这令人大惑不解。于是，许多物理学家开始考虑，这种微观粒子的实验，是否是实验者本身在实验中产生了某些微妙的影响？也许，在实验中设置两个探测器时，这两个探测器并不是完全相互独立的事件，它们是由其他事件引起的，而且影响探测器的事件可能是由在过去所发生的一个共同的事件导致的。如果存在一个共同的事件影响了两个探测器的设置，这就意味着两个探测器之间在过去存在一定的联系，它们有过某种秘密交流。虽然我们可能永远无法知晓这种联系具体是什么，但只要存在就会产生严重后果。由于每个光子的测量结果是与每个探测器的设置有一定的联系，如果探测器之间也存在一定的联系的话，就会导致两个光子之间也有了某种联系，体现出来的就是量子纠缠现象中的超距作用。也就是说，之所以我们看到有量子纠缠这种怪现象，是因为我们设置实验出了问题。根据最近的理论研究表明，只要探测器之间存在一定关联性，不管多么小，这种秘密交流都可以导致有偏见的测量结果，足以解释量子纠缠的产生。
之前，一位来自奥地利的物理学家设计了一个实验，尝试解决这个问题。他们通过仪器记录量子的随机事件（例如衰变）产生的时间间隔，当成随机数，转化为电信号去自动控制探测器的参数。但是这种实验只是阻止了在实验过程中探测器之间新产生的秘密交流，而这个实验是无法阻止实验之前早已发生过的秘密交流。那么如何寻找一种方法去防止之前任何时间之内探测器之间有秘密交流？宇宙可是有大约138亿年的历史啊。
用类星体来检测量子纠缠
最近，来自美国麻省理工大学和芝加哥大学的几名物理学家，提出可以去利用来自宇宙中最古老的光线来控制探测器的参数，而不是让实验者利用地球上的随机数生成器来控制。首先，像往常那样，某个源生成一对纠缠粒子，每个粒子奔向两个相距较远的探测器。当纠缠粒子对还在飞行时，实验者通过仪器记录来自宇宙深空中两个相距遥远的光源的随机性质，例如这些光子到达的时间，作为随机数，转换为电信号去自动控制每个探测器的参数，例如偏振片的角度等等。然后再去测量这对粒子。这种实验就要求去实时观测这两个宇宙深空中的光线，实验者可以选择观测两个相聚较远的类星体（一种特殊的活动星系核，离我们的距离可达到上百亿光年），也可去观测天空中两个相聚较远的位置所产生的微波背景辐射的光线。这样，我们就把整个天空变成了一种生成随机数的仪器了。
光速是宇宙中的最高速度，而宇宙诞生于138亿年前，所以宇宙中的光最远能走138亿光年。这样，宇宙深空中两个相距遥远的光源如果超过138亿光年的话，光是来不及从一端跑到相反的另一端，所以这两光源不可能发生任何的物质和能量的交换，可以说它们之间是没有任何因果联系的。另外不像实验中这对光子互为纠缠，来自两个相距遥远的光源的光子彼此之间没有纠缠关系。因此基于上面两点，我们可以推断出这种光源之间没有任何联系。因此在它们控制下的两个探测器，相互也就不会出现任何形式的秘密交流了。
这个实验还只是一种思想实验，但是实现这个实验绝对是可行的。现在这些物理学家正在准备与其他实验人员合作，把这个思想实验去付诸于实践。
那么，这个实验预期的结果是什么呢？很有可能还是找不到任何隐变量，也就是说量子力学是完全正确的。但平心而论，现在还没有人做过这样的实验，谁知道我们会发现什么？例如，也许我们发现实验中出现的并不是由量子力学所预期的那样，甚至都不是经典理论预期的那样。也许我们还需要更好的理论，例如量子力学和广义相对论相互结合起来的理论，才能做出解释。总之，不管是什么样的结果，都是一种双赢的局面。
所谓超距作用，说的是相隔一定距离的两个物体之间存在直接的、瞬时的相互作用，不需要任何媒质传递，也不需要任何传递时间，像鬼魅一样。但这种作用在宏观世界是不存在的，只存在于微观的粒子世界。而且并不是任意两个粒子之间都有超距作用，必须是处于纠缠状态的两个粒子之间才会有——当两个粒子互为纠缠时，单独地干扰其中任意一个粒子的状态，会不可避免地瞬时影响到另一个粒子的状态，尽管两个粒子可能相隔很长的距离。这种现象称为量子纠缠现象。
超距作用的实验原理
下面我们来介绍一下产生一对纠缠光子的最为简单的方法。首先，让一束很强的激光通过一种特殊的晶体（例如偏硼酸钡晶体），虽然激光束内大部分的光子会直接穿过晶体，不过，有一些光子会被晶体一分为二，分割成为一对光子。对于其中的一对光子来说，根据动量守恒定律的要求，这两个光子将有相互垂直的偏振方向，因此一个是“水平的”，那么另一个必须是“垂直的”。但哪个是哪个呢？量子力学并不能给我们这个答案。事实上，根据量子力学原理，这对光子中的每一个光子都会处于由水平和垂直的两种状态构成的叠加态中（叠加态指的是量子系统的各种状态线性叠加起来的一种状态），也就是说光子可以同时地处在各种可能的状态之中，直到它被测量到为止。我们只能通过量子力学计算出在测量时其中的一个状态出现的概率。所以说，对其中的一个光子进行测量，它的状态包括偏振方向才会被确定下来。而在这测量的一刹那，另一个光子的状态也被确定下来，不管你何时去测量它，其偏振方向与上一个光子垂直。
这个现象是遵循量子力学原理的，但它却违背了经典物理学的逻辑。
试想一下，测量第一个光子之后，发现它的偏振方向是“水平的”，那么根据要求，第二个光子的偏振方向立刻变为“垂直的”，不管你是否测量和何时去测量。但是，如果两个光子相距很远的话，例如这两个光子分别处在两个相聚很远的星系之中，这样在测量时它们是来不及互相沟通的，那么第二个光子是怎么“知道”得要改变状态了呢？换句话说，对第一个光子的测量似乎有什么瞬间作用影响了第二个光子。
经典物理学遵循局域性原理，指的是物体只能直接被毗邻区域发生的事件所影响。但超距作用的存在，违背了这一原理。爱因斯坦就曾把这一现象称为“鬼魅般的超距作用”。不过，你并不能利用量子纠缠现象去发送通信信息，因为每次测量结果你是无法掌控的，你也无法对其进行编码来发消息了。
有没有隐藏起来的变量？
多年来，物理学家一直在思考，这种现象之所以如此不可思议，是否是因为有某些隐藏起来的变量（简称隐变量）在背后捣鬼呢？如果有，那么这种隐变量是什么呢？
我们知道，抛硬币是完全遵循经典力学的，也就是说抛出的硬币每个时刻的状态应该都是确定的。它最终的状态之所以会显示出随机性，是因为我们不了解硬币刚抛出去时的详细信息，例如硬币抛出时速度是多少，它是怎么转的，受到的空气阻力有多少等等，而且要想了解这些你还得知道之前手掌产生的力是怎么作用到硬币上的等等。这些信息就是我们所忽视的隐变量。如果我们把这些隐变量全都算进去的话，那么我们就可以精准地推测出每次抛硬币的结果。就像有人能掌握抛骰子时的力度和方向，所以想要几点就可以抛出几点一样。
同样，量子纠缠现象的存在，也可能是因我们忽视了某种隐变量而产生的。也就是说，对于一对纠缠粒子，它们被测量时体现出的状态，其实是在它们产生后分开的那一刹那就已经完全决定了的。之所以我们无法预期每个测量结果，不过是我们无法了解其中的隐变量。所以说，这两个粒子之间并没有什么超距的作用。
然而，科学家多年的实验，并没有找到什么隐变量，这令人大惑不解。于是，许多物理学家开始考虑，这种微观粒子的实验，是否是实验者本身在实验中产生了某些微妙的影响？也许，在实验中设置两个探测器时，这两个探测器并不是完全相互独立的事件，它们是由其他事件引起的，而且影响探测器的事件可能是由在过去所发生的一个共同的事件导致的。如果存在一个共同的事件影响了两个探测器的设置，这就意味着两个探测器之间在过去存在一定的联系，它们有过某种秘密交流。虽然我们可能永远无法知晓这种联系具体是什么，但只要存在就会产生严重后果。由于每个光子的测量结果是与每个探测器的设置有一定的联系，如果探测器之间也存在一定的联系的话，就会导致两个光子之间也有了某种联系，体现出来的就是量子纠缠现象中的超距作用。也就是说，之所以我们看到有量子纠缠这种怪现象，是因为我们设置实验出了问题。根据最近的理论研究表明，只要探测器之间存在一定关联性，不管多么小，这种秘密交流都可以导致有偏见的测量结果，足以解释量子纠缠的产生。
之前，一位来自奥地利的物理学家设计了一个实验，尝试解决这个问题。他们通过仪器记录量子的随机事件（例如衰变）产生的时间间隔，当成随机数，转化为电信号去自动控制探测器的参数。但是这种实验只是阻止了在实验过程中探测器之间新产生的秘密交流，而这个实验是无法阻止实验之前早已发生过的秘密交流。那么如何寻找一种方法去防止之前任何时间之内探测器之间有秘密交流？宇宙可是有大约138亿年的历史啊。
用类星体来检测量子纠缠
最近，来自美国麻省理工大学和芝加哥大学的几名物理学家，提出可以去利用来自宇宙中最古老的光线来控制探测器的参数，而不是让实验者利用地球上的随机数生成器来控制。首先，像往常那样，某个源生成一对纠缠粒子，每个粒子奔向两个相距较远的探测器。当纠缠粒子对还在飞行时，实验者通过仪器记录来自宇宙深空中两个相距遥远的光源的随机性质，例如这些光子到达的时间，作为随机数，转换为电信号去自动控制每个探测器的参数，例如偏振片的角度等等。然后再去测量这对粒子。这种实验就要求去实时观测这两个宇宙深空中的光线，实验者可以选择观测两个相聚较远的类星体（一种特殊的活动星系核，离我们的距离可达到上百亿光年），也可去观测天空中两个相聚较远的位置所产生的微波背景辐射的光线。这样，我们就把整个天空变成了一种生成随机数的仪器了。
光速是宇宙中的最高速度，而宇宙诞生于138亿年前，所以宇宙中的光最远能走138亿光年。这样，宇宙深空中两个相距遥远的光源如果超过138亿光年的话，光是来不及从一端跑到相反的另一端，所以这两光源不可能发生任何的物质和能量的交换，可以说它们之间是没有任何因果联系的。另外不像实验中这对光子互为纠缠，来自两个相距遥远的光源的光子彼此之间没有纠缠关系。因此基于上面两点，我们可以推断出这种光源之间没有任何联系。因此在它们控制下的两个探测器，相互也就不会出现任何形式的秘密交流了。
这个实验还只是一种思想实验，但是实现这个实验绝对是可行的。现在这些物理学家正在准备与其他实验人员合作，把这个思想实验去付诸于实践。
那么，这个实验预期的结果是什么呢？很有可能还是找不到任何隐变量，也就是说量子力学是完全正确的。但平心而论，现在还没有人做过这样的实验，谁知道我们会发现什么？例如，也许我们发现实验中出现的并不是由量子力学所预期的那样，甚至都不是经典理论预期的那样。也许我们还需要更好的理论，例如量子力学和广义相对论相互结合起来的理论，才能做出解释。总之，不管是什么样的结果，都是一种双赢的局面。