真隨機性與量子非局域性

撰文

梁永成 （台灣成功大學助理教授）

量子非局域性（又稱量子非定域性）是量子物理學所給予的眾多預測當中最匪夷所思的現象之一。這一現象告訴了我們：量子世界所允許的測量結果之間的強關聯性是不能夠通過我們所熟悉的時空機制來解釋的。 貝爾這一開創性發現毫無疑問是現代物理學發展的一個重要里程碑。然而，很遺憾的是，時至今日，仍有許多卓越的物理學家都還沒能真正領悟到這個發現對於物理學所帶來的衝擊。

在眾多研究這一現象的學者里，基本上沒有人比瑞士日內瓦大學的吉桑教授更清楚，也更適合去介紹這個物理現象的謎與美。他的新書《跨越時空的骰子》正是他希望藉此以淺顯易懂，卻又生動有趣的文字來引導讀者們去探索，並了解這一奇特現象的嘔心瀝血之作。原書（法文版）於 2012 發行，並於2014 年被翻譯成英文和德文，而中文版如今也終於面世，讓廣大的中文讀者群可以有機會了解到這一重要物理現象的來龍去脈。

作為一本科普書籍，吉桑教授選擇了一個發生在牛頓身上的小故事來作為他的開場白，這讓大家明白：其實非局域性這一概念並不是一個現代物理學的新穎產物，而是一個可以追溯到牛頓萬有引力定律裡頭的概念。為了讓讀者更好地掌握這一概念，吉桑又通過一些深入淺出的例子，譬如說所謂的貝爾遊戲，和其他虛擬的小故事去闡述了量子非局域性的關鍵點： 量子力學所允許的強關聯性既不能通過直接的因果關係，也不能通過任何我們所熟悉的時空機制去解釋。

從20世紀60年代貝爾那開創性的發現開始，有好一些物理學家和哲學家就陷入了對於非實在性和非局域性的喋喋不休的爭論。而非實在性這一概念卻又是和非決定性，也即是所謂的隨機性這一概念息息相關。與其像既有的許多文獻里那樣對這一爭論作繁瑣而又達不到啟發性效用的分析，吉桑教授選擇了在他的書本裡頭通過一系列的例子來反覆闡述真隨機性的必要性：沒有真隨機性，量子非局域性將造就超光速通信的可能性！換言之，也真是因為存在著真隨機性，量子非局域性才可以和狹義相對論「和平共處」。那是否就意味著，吉桑教授認同了量子世界的局域性呢?其實也不盡然。

是什麼造就了量子非局域性呢？在量子物理學裡，對於所謂的量子糾纏態進行可自主選擇的測量是顯現量子非局域性的必要條件。吉桑教授本身在量子力學這個領域的全方位研究除了讓他可以用更生活化的文字去解釋量子糾纏這一現象，也可以讓讀者感受到物理學家們是如何通過真正的實驗裝置去實現這一抽象概念的，進而完成那些異常複雜卻又至關緊要的貝爾實驗。

當然，量子世界裡的奇異現象並不僅限於非局域性。量子態的不可克隆性，量子隱形傳態等在吉桑教授的描述之下都顯得特別淺顯易懂。因此，本書除了對非局域性感興趣的讀者來說是一個不可多得的瑰寶之外，對於更廣大的群眾來說也是一個可以讓他們在不藉助任何複雜數學公式的情況之下認識諸多量子現象的科普書籍。譬如說，僅僅透過超光速通信的不可行，吉桑教授便展示了量子態的不可克隆性！

量子現象的奇特除了讓許許多多的物理學家抓破腦袋，百思不得其解，也帶來了新一輪的量子革命。其中，真正已經被商業化的兩個應用，即量子隨機數產生器和量子密鑰分發，都是跟量子非局域性有著莫大的關係的。這當中的微妙關係和相關量子信息迂迴曲折的發展，讀者也可以通過吉桑教授的新書一窺究竟。

那量子非局域性究竟告訴了我們什麼呢？這數十年來，吉桑教授本著物理學家那種打破沙鍋問到底的精神，從多個方面想要把量子非局域性這一現象搞清楚，弄明白。毫無疑問，我們現在知道的要比三十年前多得多，但我們所不知道的，所不明白的依然很多。

在本書的最後三章里，吉桑把他這些年來經過反覆思考後得出的結論無私地跟大家分享。當然，這其中包含了一些他的主觀看法。但從這裡，讀者可以清楚地感受到吉桑教授是如何去看待並分析這個嚴肅的物理問題的，也讓讀者清楚地認識到求知的歷程往往是充滿挫折的。

總的來說，對於量子現象，尤其是對量子非局域性感興趣的讀者來說，這是一本不可多得的好書。即便對於那些本來就已經對非局域性有一定認識的讀者，吉桑的新書也不會讓您空手而歸，因為他無私地分享了他個人覺得在這研究領域裡最重要的一些懸而未決的議題，好讓每一個人都可以有機會對這一既讓人驚喜，卻又琢磨不透的奇特物理現象做一些思考，甚至有所貢獻。

梁永成

2016 年 10 月 28 日於台灣台南市

作者簡介

梁永成，台灣成功大學助理教授。曾學習、工作於日內瓦大學應用物理課題組（Group of Applied Physics，University of Geneva ）、蘇黎世聯邦理工大學理論物理研究所（Institute for Theoretical Physics，ETH Zurich）等。

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