兩枚總是相反的硬幣
想像我給你和一位朋友各發一個密封信封，告訴你裡面有一枚硬幣，已經是正面或反面朝上了。你飛去東京，朋友飛去利馬，無論誰打開信封，都會看到一枚硬幣。到這裡都很平常：硬幣在你們出發前就已經是正面或反面了，只是你們不知道而已。現在設想一對更奇怪的東西——就叫它們量子粒子吧——它們被一起製備，使得只要你們倆都去測量，結果總是完美關聯：你得到正面，朋友一定得到反面；你得到反面，朋友一定得到正面。每一次都如此，無論相隔多遠。這種完美的關聯，就是糾纏的核心。
如果故事到此為止，那就毫無神秘可言——只不過是兩枚預先設定好的硬幣，就像那兩個信封。量子力學真正令人震驚的地方在於：這兩個粒子並沒有被偷偷預先設定。在你測量之前，兩個粒子都沒有確定的答案；這一對處於一種「兩種可能同時存在」的模糊狀態，叫做疊加態。確定的結果只在測量那一瞬間才出現——可即便如此，兩個答案依然完美協調。這就好像兩枚硬幣是在當場、一起決定要顯示什麼，卻又遵守著一份它們從未隨身攜帶的約定。
「糾纏」究竟是什麼意思
通常，如果你有兩個分開的東西，你可以把每一個都單獨完整地描述清楚，然後把它們並排列在一起就行了。兩個粒子被稱為「糾纏」，恰恰是當你無法這樣做的時候——你沒有任何誠實的辦法說「粒子 A 處於這個狀態、粒子 B 處於那個狀態」。唯一完整的描述，是把這一對當作一個不可分割的整體來描述。資訊存在於它們之間的關係裡，而不在任何單個粒子身上。一對最大限度糾纏的粒子，就像上面那對相互匹配的硬幣，是最乾淨的例子；物理學家把這樣的一對叫做貝爾態。
只看糾纏對中的一個粒子，你不會發現任何特別之處：測量它，一半時間得到正面，一半時間得到反面，純粹隨機，就像一枚均勻的硬幣。從單邊看，這份神奇是隱形的。它只有在你和測量另一個粒子的人對照記錄時才會顯現。把兩份記錄放在一起，你會發現它們配合得天衣無縫。這些緊密的對應關係，就是量子關聯——整條學習路線都圍繞它展開。
- 把一對粒子一起製備好，使整體被描述為一個糾纏態——不存在對每個粒子的單獨描述。
- 把它們送到很遠的地方。糾纏會隨它們一起「出行」，且不會因距離而減弱。
- 測量其中一個。它看似隨機的結果出現了，而搭檔那個與之匹配的結果此刻也隨之確定。
- 稍後對照兩份記錄。只有這時，那份完美的協調才顯現出來。
愛因斯坦為何稱之為「鬼魅」
下面這一點令愛因斯坦深感不安。如果粒子在被測量之前真的不攜帶任何答案，那麼你在東京測量自己的粒子，似乎就瞬間決定了你朋友在利馬會看到什麼——彷彿一次測量伸手橫跨了整個地球，去安排另一次的結果。愛因斯坦對此極不信任，於是給它貼上了「超距鬼魅作用」的標籤——鬼魅般的超距作用——並以此論證量子理論必定是不完備的。他無法相信：這邊的一次測量，能在沒有任何東西從中傳遞的情況下，在那邊憑空變出一個事實。
愛因斯坦偏愛的出路是那個令人安心的版本：也許這兩個粒子終究就是像密封信封一樣，攜帶著我們只是看不見的隱藏答案。這種直覺幾乎讓人無可辯駁。而這個故事最令人屏息之處——也是這條路線接下來要層層揭開的——是它最終被證明是錯的；而且我們能用實驗、而不僅僅是觀點來證明這一點。眼下，先單純地體會這個謎題：兩個粒子，一種共享的命運，看似既是一起決定、又彼此遠隔。
這條路線接下來會講什麼
現在你已經握住了萬事所繫的那一個核心觀念：糾纏粒子共享一個單一的狀態，所以哪怕粒子彼此遠隔、且在被測量前看似沒有答案，它們的測量結果也完美關聯。從這裡開始，這條路就成了一個偵探故事。接下來我們會見到愛因斯坦那番審慎的反對——著名的 EPR 論證——它擺明了他為何確信背後一定藏著什麼。隨後，約翰·貝爾（John Bell）找到了一個辦法，把那場爭論變成一個你真的可以去測量的數字。再然後，實驗家們真的去測了它。最後，我們要堵上人人都擔心的那個漏洞：如果這一切是真的，我們為什麼不能利用它來實現超光速發消息呢？