尼古拉·吉桑著《跨越时空的骰子：量子通信、量子密码背后的原理》已在赛先生书店上架，价格优惠，全场免邮，点击文章底部“阅读原文”购买此书。

　　撰文

　　尼古拉·吉桑 （日内瓦大学教授）

　　从小开始，我们就知道该如何接触一个我们够不到的物体：要么我们向它挪动，比如像婴儿那样爬过去；要么我们得用一个物件，比如说一根木棒，作为我们延长的手臂触碰它。后来，我们了解到，更复杂的机制也是同一原理。比如：把一封信放进信箱，信会先由邮递员集中起来，手工分类或者用机器分类，接着装上大货车、火车或者飞机，然后运往目的地。网络、电视以及其他数不胜数的日常案例告诉我们：任何两个相隔的物体之间的相互作用总是从一点到另一点连续发生的——这些传播方式依据的也许是某些复杂的机理，但是这些传播都是连续的，我们能在空间和时间中定位其轨道，至少原理上是可以的。

　　然而，量子物理，这种研究我们日常感知世界之外的学科，断言相互之间距离很遥远的物体有时能构成一个整体。这样，尽管两个物体被遥远的空间所分割，如果我们触碰两个物体中的一个，这两个物体都会振动！如何才能相信这种事情？能对这样一个观点进行实验验证么？我们需要搞清其原理么？我们能利用量子物理的这个“古怪”之处，即“分散的物质能构成一个整体”这个概念，来做到远距离通信么？这正是我们这本书要试图回答的主要问题。

　　我将会和你们分享这个从另一世界得来的迷人发现。这个世界中万物并不以连续的、点对点的方式相互作用，而是通过“非局域”的方式相连接。

　　在介绍这本书的核心概念“非局域性”之前，我先讲两个小故事，这将帮助你了解我们的故事所发生的背景。一个是真实的故事，发生在遥远的过去;另一个是想象的场景，在不远的将来也许会成为现实。

　　牛顿：天大的谬论

　　牛顿的万有引力定律众人皆知，即：物体间存在着相互吸引作用，而且相互吸引的大小取决于它们的质量以及相互之间的距离（更精确地说，作用力与相互距离的平方成反比，但是在这本书里这不是核心问题）。比如，太阳和地球通过引力联系在一起。引力充当向心力，使得地球在围绕太阳公转的近圆轨道上运行。这种联系对于其他系统也适用，包括地月系统，甚至围绕着星系团中心旋转的银河系。

　　让我们首先分析一下地月系统。月球所受到的来自于地球的吸引力取决于地球的质量以及地月之间的距离，月球如何感知到这一作用形式的？即，月球究竟如何感知地球的质量和两者之间的距离？难道它像我们前文提到的那样，伸出一根很长的棒子碰到了地球？或者它向我们发射某种微粒进行探测？它们究竟是通过哪种特殊的方式进行了交流呢？这种问题看似幼稚，atv，其实却很严肃，牛顿对其充满不解，并为之陷入困惑的深渊。万有引力定律，牛顿创立了它并且通过它赢得了巨大声望，但在他自己看来，这一理论荒谬至极，“头脑清醒的人都不会将它当作一回事儿。”（见“百宝箱”）。

　　百宝箱

牛顿

　　“我们这里所论及的引力应是物质固有的、内在的、本质的属性。因此，一个物体可以不通过任何介质而穿过真空中的距离对另一个物体产生作用，并将它们的作用(Action)和力(Force)传送给对方这一事实对于我来说简直就是一个天大的谬论。因此，我相信，任何有足够的哲学思维能力的人都不会沉溺于此。”[ Cohen B, Schofield R E. Isaac Newton Papers and Letters on Natural Philosophy and Related Documents. Harvard University Press, 1958.]

　　目前，我们可以肯定地说，牛顿的直觉是正确的。虽然，为了弥补牛顿理论的概念性空白，付出了物理学家几个世纪的艰辛以及爱因斯坦的天赋、智慧。时至今日，物理学家们知道引力以及正负电子间的相互作用并不是瞬间发生的，而来源于某种“信使”的传播。因此，上面提到的“微粒”假设是正确的。物理学家对这些作为信使的微小粒子进行了命名：引力的信使被称为引力子(graviton)，电磁力的信使则被称为光子(photon)。

　　沿着这种物理学思维方式，自爱因斯坦始，物理学将大自然描述为一个只能在空间中进行连续的、逐点相互作用的局域性实体的集合。这个观点当然符合我们对世界的直觉，也符合牛顿的观点。但是现代物理学同样建立在另一根理论支柱——量子力学之上，它被用于描述原子和光子的世界。爱因斯坦参与建立了这个理论。在1905年，他将光电效应解释为：光线中的微粒，即光子通过轰击金属表面并与表面的束缚电子发生相互作用而激发出电子，就像运动的弹球间的相撞一样。但是，随着量子物理的发展和成形，爱因斯坦开始排斥、批评这个理论，因为他很快察觉到为了维护这场物理“闹剧”，需要引入一种超距离相互作用的概念。就像三个世纪前的牛顿一样，爱因斯坦排斥这种假设，他认为这是荒唐的，并将之形容为“幽灵般的超距作用”(a spooky action at a distance)。