量子纠缠不是什么？

量子纠缠是一种超越经典的关联，它说的是在多粒子体系的某些状态即纠缠态中，各个粒子的测量结果都是随机的，但这些随机数之间存在确定的关联，例如必然相反或必然相同。

之所以会有这种现象，是因为量子力学中的叠加原理不仅适用于单粒子体系，它对多粒子体系也同样适用。纠缠态就是多粒子体系的一种叠加态，它不能分解成各个单粒子状态的乘积。如果能分解，就叫作直积态，这样的多粒子体系就没有纠缠现象了。

更加深入的理解是，量子纠缠与经典体系的区别可以通过贝尔不等式表现出来。经典体系必然满足贝尔不等式，即它的测量结果之间的某种关联必然小于某个上限，而纠缠态可以突破这个上限。已经有许多实验对贝尔不等式做了检验，结果都是真实世界可以不满足贝尔不等式，由此可见量子纠缠是存在的，真实世界不可能满足局域实在论（local realism），即它不可能既局域又实在。2022年诺贝尔物理学奖，就是发给了三位实验检验贝尔不等式的先驱。

经常有人喜欢说“大道至简”“各个领域到了最高境界都是相通的”“大师就是能把复杂的东西讲得简单”，但你如果想真正深入理解某个领域，最快的办法是读教材，而不是看科普作品。

一个典型的例子是哥德巴赫猜想（Goldbach's Conjecture）。这个猜想本身非常容易理解，但如果想理解陈景润是怎么证明1+2的，难度就陡然上升了，至少需要研究生程度的知识，而且还是数学专业的研究生。

现在，相信大家对量子纠缠“是什么”已经有了充分的理解。下面, 我们就来解答若干个量子纠缠“不是什么”的问题。

回答是：我们不知道。我们相信这两个理论，只是因为从这些理论推出的所有观测结果目前都跟实验符合，所以我们暂且认为它们是正确的。但如果要问在它们之下有没有更深层的原因，我们现在确实不知道。如果你思考得更深入一些，你就会发现，这是所有科学体系都必然会面临的局面。只要多问几次为什么，你很快就会触及当前科学无法回答的问题。

让我们举个例子。

第一层，你问，苹果为什么会落地？回答是：因为地球有重力。

第二层，你再问，地球为什么有重力？回答是：在任何两个有质量的物体之间，都存在万有引力。到这里为止，都还很简单，初中生都能理解。

到第三层，你再问，为什么存在万有引力？这个问题一下子就变得非常深奥。爱因斯坦会告诉你，原因是广义相对论。有质量的物体会导致时空弯曲，其他物体在弯曲时空里走测地线，看起来就好像受到引力的吸引一样。

大多数人到广义相对论这个第三层，就会感觉理解困难。但假如你勇往直前，继续问第四层，质量为什么会导致时空弯曲？恭喜你，你到达了当前科学的极限，这个问题就连爱因斯坦也回答不了你。我们目前可以说的只是广义相对论在已知的实验证据下是个正确的理论，因为由它推出的一切观测结果都跟实验符合。

你看，你仅仅问了四个问题，就达到了人类当前的认知极限！量子力学和相对论，就是人类目前的两个极限。无论人类取得多大的进步，在任何时刻都是有限的。所以我们应该老老实实地承认自己的所知有限，但同时也不能因为没有更深层的解释就否认已知的知识。一个知识是正确的，归根结底不是因为它有深层原理来解释，而是因为它跟实验相符。

在量子纠缠的这个例子中，量子力学就是量子纠缠的原理。我们当然可以问，是否存在比当前的量子力学更基本的原理？这是个很好的问题，事实上有很多科学家正在做这个方向的努力。但我们并不能确定，一定存在比当前的量子力学更基本的原理。也许它不存在，也许我们无论如何都找不到，这都是有可能的。更重要的是，无论能不能找到更深的原理，都不妨碍当前的量子力学在它的适用范围内已经经过了充分的检验，所以我们认为它是正确的。这就好比在量子力学出现之后，牛顿力学也不算错误，它在它的适用范围内仍然是正确的。

实际上，如果你仔细想想，你就会明白，这正是科学的本质特征。科学的目标，就是用少量的原理来解释大量的事实，因此必然有些原理是没有其他原理来解释的。以前认为的原理，随着科学的发展，可能变成后来的事实，被更深层的原理解释，但这时那个新的原理就变成了当前最深的一层，在它下面又没有解释了。科学进步的历程，就是原理越挖越深的历程，但这绝不意味着没有下一层的就是错的，其实没有下一层只是意味着它是当前所知的最深的。甚至连原理究竟有无限多层还是只有有限层，我们也不清楚，我们能做的只是不断地探索而已。

再想得深一点，什么叫作理解? 什么叫作解释？很多人可能觉得量子力学的这些解释很难接受，但这仅仅是由于他们对量子力学不熟悉。如果从小就学量子力学，他们很可能就觉得量子力学是天经地义的。这就像我们现在觉得牛顿力学很容易理解，但这其实是由于我们从初中开始就在学牛顿力学，已经习以为常了。这些思考说明，很多人之所以难以相信量子纠缠有解释，只是因为他们没有受过量子力学的教育。其实教育的作用就在这里，把一些远超常识的知识变成好像是天经地义的。如果我们按照科学的认识论，认为一个理论的正确性来自它的预测跟实验相符，我们自然就会理解量子纠缠了。

有人可能会说，我经常感觉到心灵感应的现象啊？比如我刚想到一个事情，紧接着这个事情就发生了，或者就有人来告诉我这个事情不久前发生了。对此可以说，这不见得是心灵感应，也许只是巧合而已。因为人总是倾向于记住巧合，而忘掉那些平淡无奇的事情。总之，我们目前没有任何确切的证据证明心灵感应存在。

关于量子力学和心灵感应，倒是有一个著名的故事，但这是一个悲伤的故事。有一位诺贝尔奖获得者叫作约瑟夫森（Brian David Josephson，1940 ~ ），因为预言超导隧穿量子效应，发明约瑟夫森结，获得1973年诺贝尔物理学奖，当时年仅33岁。然而这位天才在获得诺贝尔奖后就走上了一条奇怪的道路，开始研究超自然现象和超心理学。简而言之就是变成了神棍，跟进化论的二号创始人华莱士（Alfred Russel Wallace，1823 ~ 1913）有异曲同工之妙。约瑟夫森曾经在纪念量子力学诞生的文章里说，量子纠缠能解释心灵感应。这话引起物理学家哗然，约瑟夫森的这些所谓研究也完全没有被科学界接受。

布赖恩·戴维·约瑟夫森

阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士

当然，把量子纠缠比作心灵感应还是可以的，这是个常见的比喻。但我们应该明白，这只是个比喻，千万不可当真。而且更特别的是，这是用一个不一定存在的现象来比喻一个确认存在的现象，跟常见情况相反。

如果说心灵感应只是量子纠缠的一个粗浅的比喻，那么下面就有一个看起来很有技术含量的比喻。这个比喻说的是，量子纠缠就好比把两个骰子连在一起，使得它们每次都掷出相同的点数。还有人基于这个比喻，对量子纠缠提出一种正儿八经的解释：两个粒子虽然看起来相距遥远，但它们在高维空间里其实是连在一起的，或者说它们的“内部距离”为零，而我们平时看到的三维空间只是高维空间的投影。这种说法看起来非常高大上，但在内行眼里，其实还是没有用处。最基本的，它不能给出定量预测，它甚至都不能解释哪些粒子之间有纠缠，哪些粒子之间没有纠缠。它只是一种语言游戏而已，让你觉得你好像理解了某些东西，但其实并没有提升你的能力。

对于这种心理，历史上出现过一种非常有戏剧性的例子，叫作“船货崇拜”（cargo cults）。它说的是有些与世隔绝的原始部落见到外来的技术时，无法理解原理，把它当作神迹来崇拜。例如第二次世界大战时，美军在某些岛屿建立临时基地，岛民对“大铁船”（军舰）和“大铁鸟”（军用飞机）以及其中运送的物资感到十分惊奇，把美军当成了神。二战结束后，美军离开了小岛，这些岛民居然发展出一种宗教。他们穿着美军军服，升起美国国旗，用草和木片扎成了“神鸟”（飞机），清理出一片空地作为机场，甚至晚上还插上火把来引导“神鸟”降落。他们相信，有朝一日“神”会带着更多货物再来，引领他们进入幸福新时代！好，这里如果有个聪明的原始人对飞机造个理论，说有一只大鸟的灵魂在这个铁鸟里面托着它飞，你觉得怎么样？这在其他原始人听起来好像很有道理，在飞机专家听起来却完全是徒增笑柄，毫无用处。

真要想理解飞机的原理，你就必须学习空气动力学，这才是理解飞机的正道。同样，真要想理解量子纠缠的原理，你就必须学习量子力学，舍此别无他途。

我们必须强调一下，量子纠缠是个高精尖的现象，所有那些用日常语言来解释量子纠缠的想法，都是完全错误的。例如有些人喜欢说，量子纠缠就好比有一左一右两只手套,把两只手套分别送给两个人，你打开盒子一看，你收到的是左手套，你立刻就知道你的朋友收到的是右手套。又有些人喜欢说，量子纠缠就好比有一位女士生了女儿，她的母亲就自动升级成了外婆。这些比喻看似很生动形象，但其实跟量子纠缠毫无关系。它们都是日常生活中就能发生的经典现象，完全没有用到量子力学。量子纠缠如果是这么简单的东西，怎么可能得诺贝尔奖呢?