《幽灵般的超距作用：重新思考空间和时间》作者乔治·马瑟将带领我们进行一次史诗般的旅行，我们将看到实验物理学家如何观测粒子的行为，天文学家如何发现与统计学上完全相同的银河系，宇宙学家希望解开围绕着大黑洞的悖论。他还通过20世纪的一些主要发现和混乱追溯了关于非定预性的辩论，展示了面对同样的无可争辩的实验证据时科学家如何提出完全不同的解释。他们的结论对于我们理解时空以及宇宙的起源来说都是一个挑战，他们还提出了一个新的宏伟的物理学统一理论。

空间是什么？我们大多数人一般不会问这个问题。空间是物理学的“住所”，物理学只能在空间里“玩耍”；事物在空间中存在，在空间中运动和形成。然而在过去的几十年里，物理学家发现了一个奇特现象，它超越了空间和时间的管辖范围。这个现象称为“非定域性”，即两个粒子无论相距多么遥远却同步共舞，看起来像魔法。爱因斯坦看到这种现象时惊讶得找不出一个合适的词，便称之为“幽灵般的超距作用”。

最近这个现象显得更加神秘，因为其他形式的非定域现象相继被发现。在黑洞里、在粒子碰撞中甚至在引力的运作中，都发现了这种“幽灵般的超距作用”，潜在地它威胁了我们对物理现实的最基本的理解。如果空间不是我们以为的那个样子，那么空间到底是什么？

在《幽灵般的超距作用：重新思考空间和时间》中，著名科学作家乔治·马瑟试着回答这一问题。马瑟对非定域性问题进行了大胆探索，采访了试图解释这个问题的科学家。他带领我们踏上史诗般崎岖漫长之旅，走进观察粒子的实验物理学家的生活，走进观察星系各向均匀性的天文学家的生活，走进揭开大爆炸之谜的宇宙学家的生活。他考察了20世纪科学的重大发现和重大混乱，跟踪了非定域性这个非常有争议的话题，展示了尽管实验证据无可争议，但科学家们却提出了截然不同的解释。科学家们的结论不仅挑战我们对空间和时间的理解，而且也挑战宇宙起源的解释。那些卓有见识的物理学家提出了新的物理学大统一理论。

引言：爱因斯坦的空中楼阁

第1章　形形色色的非定域性

 闭嘴，好好算！

 观天者与攀冰者

 玩水泥的人和雕塑家的女儿

 地下室里的粒子

第2章　非定域性的起源

 机械的宇宙

 机器里的魔法

 引力论战

 质疑牛顿爵士

 定域性的新麻烦

第3章　爱因斯坦的定域性

 定域性让物理学保持理性

 量子力学的奇特横空出世

 物质的波

 1927年的大辩论

 1930年的大辩论

 EPR论文

第4章　大辩论

 非定域性这个案子

 分歧缘于动机

 选择一：放弃自由意志？

 选择二：粒子是占卜水晶球

 选择三：平行宇宙

 选择四：放弃现实主义

 德累斯顿会议上的唇枪舌剑

 让我们务实一些

 超越量子思考

 披着别名的非定域性

 不管怎样，空间走向终结

第5章　非定域性和物理学的统一

 量子场论

 与粒子分道扬镳

 永别了，场

 超强纠缠

 横跨规范

 爱因斯坦的引力理论

 量子引力

 回到黑洞

第6章　时空的终结

 现实的“胶水”

 当空间不是那个“地方”时

 互联成网生成空间

 在矩阵内部

 全息的现实

 矩阵中的毛刺

 结语：幅面体

 更像青少年

参考文献

致谢

观天者与攀冰者

在20世纪的大部分时间里，唯一有人关注的非定域性现象是纠缠粒子的某种特定同步性，但后来物理学家逐渐意识到其他现象也很可疑，如同幽灵一般。研究黑洞的人认为在黑洞这类宇宙真空吸尘器里的一种非定域性（即物质可以从一个地方跳到另一个地方而无需跨越中间的距离）比爱因斯坦担心的情况更令人困惑。

黑洞长期以来被物理学家首选为宇宙间最古怪的事。拉梅什·纳拉扬曾看见过活动中的黑洞。正如加尔韦斯，纳拉扬说他很晚才发现自己对科学的激情，而且相当偶然。孩童时期，他对天文学没有一点儿兴趣。我遇见的大多数天体物理学家都回忆说他们自孩童时期起就着迷于黑洞了，但纳拉扬是少数几个例外之一，他着迷的是水晶。他的第一个工作是在印度南方著名的班加罗尔拉曼研究所搞研究，他发现自己混迹于一群探索宇宙奥秘的人之中。他很快被吸引住了，变成了宇宙气体流专家。这种流动的控制原理很简单：所有进去的势必出来。每当宇宙气体碰撞上恒星表面，恒星必然受热；恒星势必将能量返回太空，通常以红外辐射或可见光的形式进行。“所有进入的能量必须释放出来。”纳拉扬解释道，他现在是哈佛大学的教授。但20世纪90年代初期，天文学家注意到，在我们的银河系中心，这个规则有一个很奇特的例外。

银河系中心很容易寻找，你自己就可以找到。下次夜晚走到房外凝望夜空时，找一找人马座。在我的家乡，夏夜或早秋之夜最容易看见人马座，星空中它悬挂在南方的地平线之上。它看起来应该像射手，但大多数天文学家说他像一个巨大的茶壶，茶壶嘴就指向银河系的中心。由肉眼看来，银河系中心仅仅是天空中的一小块模糊区域，但20世纪40年代用望远镜观察时，发现那里是一大锅涡旋气体。在正中心处，气体向一块很小的区域汇集，称之为人马A。这块区域黑暗得令人费解，流进去的气体带人的能量只有1％流出。“眼睁睁地看见能量进人银核中心后，‘噗’地一下，消失了。”纳拉扬说。

这就是黑洞的定义，意思是引力如此之大，以致进去的再也出不来了。艺术家有时把黑洞描绘成太空中巨大的坟墓，但从外表看起来它像一颗行星，一颗巨大的、疑似黑色的行星。可能有物质环绕它运动，而且通常有。但如果你试着用手指触摸一下你以为的行星表面，你的手指就会穿过去，这个物体是空的。这个表面又称“黑洞表面”或“事件视界”，其实是假想的临界表面，过了这个临界面，掉进去的气体或其他物质就回不来了，只有超过光速时才有可能返回。对于人马¨奇点，视界构成了一个直径为2500万千米的球面。想穿越它的物质不停地坠人其中，仿佛汽车闯入单行的死胡同，摇摇晃晃闯人某种未知命运，想必是厄运。“这就是黑洞的唯一特性。”纳拉扬说，“黑洞没有表面，这就是它与众不同之处，所有进去的气体和能量全都被吞掉了。”

那么，那些东西后来命运如何？这就是个谜。不幸的是，物理学的两大主要理论（引力理论和量子理论）关于物质被吞掉后的命运，得到了完全相反的结论。简而言之，引力理论说粒子掉到黑洞之后就再也不可逆转了，而量子理论说没有什么东西会不可逆转。前者说进去的东西再也出不来了，永远被黑洞吸了进去。后者说这些东西一定会出来，而且重新参与到宇宙的生命中去。这一矛盾警示，现代物理学里的某些关键原则一定是错的。

纳拉扬的观察不能搞清楚这个问题。解决关于黑洞的矛盾需要一个物理学的统一理论，一个将量子理论和引力理论融合起来的量子引力理论。许多一直在寻找这样的统一理论的人认为，定域性原则最可疑，最终将被证明。如果有物质可以超光速穿行，或从里向外拱出来，而无需穿越空间阻隔，那么它一定能从黑洞的阴森束缚下溜走。

这个想法的首要倡导者是史蒂夫·吉丁斯，加州大学圣塔芭芭拉分校的教授。他常穿着工装短裤和绒毛夹克，花格衬衫从不掖在裤子里，一点儿也不像教授，你可能误以为他是徒步登山指导。其实你猜得不错，他曾经同时出现在《科学美国人》和《登山》杂志上。吉丁斯在很多体育项目上都成绩斐然，如攀岩、攀冰、高山滑雪、越野滑雪、登山和皮划艇。科学和户外运动对他来说相得益彰。“我觉得科学和体育运动是我与自然亲密无间关系的两个侧面。”他说。少年时代外出野营时，他总是带着一本物理书。上大学后，他得到了国家自然科学基金的资助，研究引力，周末他就在偏远的地方滑雪。刚毕业的那个夏天，吉丁斯给自己建造了一艘皮划艇，乘它划过科罗拉多河，穿过大峡谷，然后搭车去了丹那利国家公园。那是他第一次去这个公园，他记得看见一大一小两只驯鹿跑过来，离自己很近。“然后，我回头一看，才知道它们为什么一点儿也不怕我。”他说，“这两只驯鹿刚刚逃离一只大灰熊的追赶。大灰熊看见我后决定放弃驯鹿，而来追赶我。”吉丁斯想起公园巡逻人员的叮嘱，他站稳脚跟，对着大灰熊大喊大叫，直到它拖着脚离开，去寻找更容易捕获的猎物。

后来，吉丁斯搬到了新泽西。新泽西有很多迷人的地方，只是没有高山和大峡谷。生活好像变了个样，白天、夜晚、平日、周末，他都围着考试连轴转。普林斯顿的物理研究生学习计划好像故意和他的皮划艇嗜好作对。“没有什么值得兴奋的事。”他说，“那里有一种让学生感到害怕的气氛。”吉丁斯想溜，但最终没动。1984年，他刚刚考完试，理论物理学界突然兴奋起来。全世界的物理学家突然丢掉手头的工作，研究起了弦论。这是一个新理论，旨在提出一个关于自然的统一理论。

弦论得名于一个猜想，有人猜想亚原子粒子其实是一些微小的橡皮筋或吉他琴弦。我们看到的不同类型的粒子，其实只是这些弦以不同方式振动，使得世界好像一支复杂得难以想象的交响乐。20世纪60年代后期弦论曾一度因晦涩难懂而萎靡，后来弦论的几个推动者设法让大多数人相信其内在一致性，从而引爆了大家的兴趣。“我应该干这个，就这样我被这股大浪推了上去。”吉丁斯回忆道。弦论的领军人物爱德华·威滕让他解一个关键方程式。他挣扎了几个月，试了好几种数学技巧，终于解出来了。与此同时，他结识了几个皮划艇同伴，发现新泽西州还不赖，无愧于花园之州的称号。“我开始意识到，也许就这样干下去挺好。”他说。

P27-30

爱因斯坦的空中楼阁

20世纪90年代初我读研究生，第一次听说非定域性…时，不是我的量子力学教授告诉我的，他不打算讲非定域性，连提都不想提。一次我在附近的书店闲逛，发现了一本新出版的书《有意识的宇宙》，书中声称“从来没有什么发现比非定域性更违反日常对物理实在的直觉”。这让我很吃惊，了解这个现象有一种品尝禁果…的感觉。

在日常用语中，“locality”（局域性、本地性）这个词指邻里、小区或其他地方，有点儿夸大其辞。但它的本意，远在17世纪就是“地方”的概念，意思是任何东西都有个地方。你总可以指着一个东西说：“它就在这儿。”如果你不能指出它在哪里，那它一定不是真的存在。如果老师问你作业在哪里，你说我的作业不在任何地方，那你可得解释清楚。

我们体验的世界拥有地方或位置的属性。我们有很强烈的地方的感觉，属于一个地方关系网的感觉。和所爱的人分离会让我们感觉痛苦，和想帮助的事物相距太远会让我们感到无能为力。可现在，量子力学和物理学其他分支暗示，在深层次也许不存在地方这个概念，也不存在距离这个概念。物理实验可能把两个粒子的命运绑定在一起，表现得就好像一对魔术硬币，总是和自己的伴侣同时同一面朝上或朝下。这一对难兄难弟步调如此一致，尽管没有任何“力”穿行于二者之间。这两个粒子可能会旋即分开到宇宙两端遥遥相对，而仍旧步调一致。它们违背了定域性原则，超越了空间的局限。

显然，大自然选择了一个很特别、很巧妙的平衡：在大部分情形下它遵守定域性原则，而且如果人类存在，它就必须遵守定域性，然而大自然悄悄在基础层面留了一个非定域注脚。这两个方向的张力就是本书要讨论的。对研究非定域性的人来说，所有物理学之谜，物理学家这些日子遇到的跨越物理学各分支的疑点，不仅包括量子粒子的古怪现象，而且还包括黑洞的命运、宇宙的起源以及自然的内在统一性。归根结底，非定域性是始作俑者。

对爱因斯坦来说，定域性是更大的哲学问题的一个侧面：为什么人能够做科学研究？为什么这个世界构造得让我们能够讲出道理？爱因斯坦于1936年写了一篇著名的文章，说最不可理解的是宇宙竟然是“可理解的”。乍一看，这句话本身就不可理解。宇宙不是那么显然有理性的，它任性狂野、变幻无常，充满了误区、妄为、不公和不幸。宇宙里发生的大部分事情都挑衅理性思维，尤其是浪漫的时候和开车的时候。然而在这个令人费解的背景下，世界又令人欣慰地呈现出规律性的光芒：太阳总是从东方升起，手里的东西一松手总会落下，雨后常常出现彩虹。人们研究物理学是基于这样的信念，即这些规律性并不是个别令人满意的现象，而隐约说明物理学底层是有秩序的，虽然从表面上看生活是杂乱无章的。  爱因斯坦的意思是，物理学家真的不应该指望有秩序。世界不一定非要有秩序，世界本来不一定要遵纪守法，在另一种情形下，它本来可以混乱无章到底。一个朋友写信问爱因斯坦，问他说的“可理解性”是什么意思。他回信道：“一种先验知识，就是说人应该期待的原本是混沌无序的世界，不可能被头脑理解的。”

尽管爱因斯坦说可理解性是一个我们永远不可能理解的“奇迹”，但他还是试图理解。他在整个职业生涯中都在试图明确说明是什么让宇宙有合理性，他的思想奠定了现代物理学课程的基调。比如他认识到，自然的内在运作是超对称的，即如果你换一个角度看世界，看起来是一样的。对称性将扑朔迷离的已发现的粒子动物园…组织起来，形成秩序；粒子的整个族群在一定意义下彼此非常相似，互为镜像。虽然很多属性为我们能够理解这个世界带来希望的曙光，但爱因斯坦总是提到“定域性”，认为定域性是最重要的属性。

……

想一想最近一段时间声名显赫的科学大辩论——气候变化。大多数气候学家认为人类活动造成全球气候变暖，但仍有许多人坚持不同意见。而对于那些读报纸或浏览网络的人来说，这种争论令人疑惑，因为大多数人没有时间变成大气环流模型专家或长波辐射测量专家。但我将看到的是，大争论将在实际意义下被解决，不论专家们是否还继续争论。在大气变化方面，公众总是知道需要做什么，不需要做什么。的确，气候变化所导致的灾难很可能发生，但规避这种风险只需要一点谨慎就行了。正如即使没有燃烧理论的博士头衔，你也应该知道为自己的房子买火灾保险一样。同样道理，对于非定域性这件事，即使最死硬的怀疑派现在也承认的确发生了很古怪的事，这些事迫使我们重新思考曾经深信不疑的时空概念。如果我们想知道宇宙是怎样诞生的，以及自然界是怎样完美地结合在一起的，那么我们需要理解这些古怪的事到底是怎么回事。

社会故事并不仅是科学的花边，它其实是与科学密切相关的，因为在不断变化的研究领域中，概念在碰撞，没有什么是完全清楚的。科学门外汉以为科学采用的传统方法，即运用事实、逻辑、方程和实验是不足以形成一个封闭体系的。科学家们必须找到他们的直觉、隐含的比喻，以及运用判断来确定他们的基本原则是否充分。我自己在决定研究非定域性后，曾开始了一段闲适的自然远足，但很快发现自己钻进了离奇的热带雨林，树影婆娑，光怪陆离，到处都是迷宫般的小路以及爬满火蚁的把手。有些物理学家一听说要反叛最古老最深刻的科学概念就兴奋起来，另一些物理学家则生气地直耸肩。如果定域性失效，是不是意味着我们的宇宙是不可理解的（正如爱因斯坦担心的），抑或物理学家能找到其他让宇宙可理解的方法？

宇宙两端的两个亚原子粒子真的有瞬间链接吗？是不是任何预言这种链接的理论必然是有缺陷的或不完整的？显示这种链接的实验结果是否被误解了？这样的问题挑战了我们最基本的空间距离和时间概念。在本书中，乔治·马瑟优雅地穿行于这些极其烧脑的难题之中，探讨它们的历史、科学和哲学，阐述了科学领域最前沿的思想。

——马里奥·利维奥，天体物理学家，畅销书《巨人铸成大错》《黄金比例》作者

这本书充满富有智慧的隐喻和冷面的幽默。广受赞誉的科学传播者乔治·马瑟是一位完美的导游，他带领我们通过虫洞和涌现的维度到物理学的最前沿做了一次神奇的旅行。空间的本质到底是什么？追问这个问题可能永远地改变你思考真实世界结构的方式。

——马克思·泰格马克，物理学家

现代物理学正在摧毁我们周围的空间，宇宙再也不是从前的那个宇宙了。在这本引人入胜的书中，乔治·马瑟带领我们穿越科学和哲学的丛林，走到世界的一个边缘地带，那里有截然不同的景象。

——肖恩·卡罗尔，加州理工学院理论物理学家，《寻找希格斯粒子》作者