作為現代物理學的兩大支柱之一，量子力學描述了微觀粒子是如何發生相互作用的。在人類已知的四大基本作用力中，除了引力之外的三個都已經在量子力學中得到統一。
兩個物體靠得越近，它們對彼此施加的作用力就越大。如果它們離得太遠，作用力就會降到零。這就是所謂的定域性原理，它幾乎在任何情況下都是成立的。但在量子力學中，定域性原理一直被違背。定域性可能只是一種錯覺，而看穿這種表象可能正是物理學所需要的。
假設有兩個物體彼此靠近，它們會根據電荷和它們之間的距離出現相互吸引或排斥的作用。這可以想象成一個物體產生了能夠影響另一個物體的場，或者兩個物體交換粒子，使它們之間產生推力或拉力。
當然，這種相互作用會有一個速度限制，那就是光速。根據狹義相對論，因為負責力傳播的粒子不會以超光速運動，速度只能小於等於光速。
另一方面，基於生活經驗，我們建立起了因果關係的概念，這是少有的符合我們直覺的物理學觀點之一。對於宇宙中的任一個觀測者而言，都有一系列存在於過去和未來的事件。
在相對論中，這些事件要麼包含在過去的光錐中，要麼包含在未來的光錐中。可以看到、感知到或以其他方式影響觀測者的事件被稱為因果關聯。從過去到未來，信號和物理效應都能以光速傳播，但不會超光速。至少，這是人們的現實直覺。
但在量子宇宙中，相對論因果關係的概念並非那樣簡單或普遍。根據不確定性原理，在對粒子進行測量之前，它們的狀態是不確定的。在觀測粒子之前，它們處於所有可能狀態的疊加，這就是所謂的疊加態。
另外，也可以把兩個量子粒子糾纏在一起，這樣這兩個發生量子糾纏的粒子就有了相同的量子性質。當測量其中一個糾纏粒子時，不僅確定了該粒子的狀態，而且還能同時知道另一個糾纏粒子的狀態。
上述的量子現象已經夠反直覺了，而下述的量子現象更是打破人們的傳統認知：假如在時空的特定位置製造出一對糾纏粒子，然後，把它們之間的距離拉開任意遠，同時保持量子糾纏。如果測量其中一個粒子的狀態，瞬間就能知道相距遙遠的另一個粒子的狀態，這是愛因斯坦所無法認同的“幽靈般的超距作用”。
令人困惑的是，直到很久以後，觀測者才能檢測這個信息是否正確，因為光信號從另一個地方傳播到另一個地方需要時間。當信號到達時，對遠處糾纏粒子狀態的期望會與測量結果100%一致。
在這種情況下，觀測者“知道”關於非本地或者說光錐之外發生的測量信息。然而，觀測者並不完全不知道那裡發生了什麼。儘管沒有任何信息的傳播速度超過光速，但這種測量描述了量子物理中一個令人不安的事實——它本質上是一個非定域理論。
但需要注意的是，測量一個糾纏粒子的狀態並不能告訴我們另一個的確切狀態，只能知道相關概率信息。由於沒有辦法超光速發送信號，只能使用這種非定域性來預測糾纏粒子特性的統計平均值。
從愛因斯坦到薛定諤再到德布羅意，沒有物理學家能提出更好的量子力學改進版。不過，現在還有物理學家正在試圖做到這些。
其中之一是圓周理論物理研究所的物理學家Lee Smolin，他早在2003年就寫過一篇論文，展示了量子引力的一般概念與量子物理的基本非定域性之間的有趣聯繫。雖然物理學家還沒有建立起一個成功的量子引力理論，但他們已經建立了一些有關量子引力理論的重要性質。
當試圖使引力量子化時，通過用粒子交換來代替廣義相對論中的時空彎曲概念來傳遞引力，這就會違背定域性。但如果觀測這些違背定域性行為的後果，就會發現可以夠通過新的、非定域性的、不可觀測的變量來解釋量子力學的非定域性行為。
那麼，在不完備的量子力學中能否誕生新的理論，並引發新的物理學變革？愛因斯坦未完成的大統一理論能否實現？廣義相對論和量子力學能否最終統一起來？這些都有待時間給出答案。
延伸閱讀：
沒有人真正理解量子力學？你是否也有這些誤解？
多年來，我一直在推廣自己的研究領域——量子物理學。一般公眾都覺得這是個很吸引人的話題，書籍和雜誌封面也常常表現它的神秘。然而，在物理學的這個領域中出現了許多誤解，我寫這篇文章的目的就是要通過事實來揭穿這其中的6個錯誤觀念。別擔心，你並不需要了解多少的量子物理學知識才能閱讀這篇文章。我不是要解釋什麼是量子物理學，而是主要要解釋它不是什麼……
1、“量子物理學全都是關於不確定性”
並不是！事實上，量子物理學可能是人類創造的最精確的一門科學。它能夠以極高的精度預測某些性質，甚至可以精確到小數點10位之後，這都在後來的實驗中得到了證實。這種錯誤觀念部分來源於海森堡的“不確定性原理”。海森堡指出，當同時測量兩個量時，比如一個粒子的速度和位置，測量的精確性是有限度的。但是當量子物理學被用來計算其他的物理量時，比如能量或者原子的磁性，它可以達到驚人的精確度。
2、“量子物理學無法被可視化”
量子物理學描述的對象通常有些“奇怪”，而且很難描述出它們的圖像，比如波函數、疊加態、概率幅、複數等等。人們常說，只有用數學方程和符號才能理解這些概念。儘管如此，我們物理學家在教導和推廣這些概念時，仍然會描述它們的圖像。我們會使用圖表、繪畫、隱喻、投影儀和許多其他設備。
這些都沒什麼，因為不僅是學生，甚至像我們這樣資深的量子物理學家也需要在頭腦中對正在擺弄的對象形成一幅圖像。有爭議的部分在於這些圖像的準確性，因為我們很難準確地表示一個量子對象。通過與設計師、插畫家和視頻製作者合作，Physics Reimagined（重新想象物理學）研究小組試圖以所有可能的形式來“繪製”量子物理學：摺紙、視覺文學、雕塑、3D動畫等等。
3、“即使科學家也不懂量子物理學”
量子物理學領域的一位領軍人物費曼曾說過：“我想我可以有把握地說，沒有人真正理解量子力學。”但他接著馬上補充說：“我將告訴你們大自然是如何運作的。”這個學科的奠基人之一玻爾給出了一個很好的總結：“那些在第一次接觸量子理論時沒有被震撼的人，不可能真正理解它。”當物理學家在處理量子的數學形式描述時，他們確實明白自己在做什麼。他們只是需要讓自己的直覺適應這個新領域及其內在的矛盾。
4、“少數幾個傑出的理論學家提出了量子物理學的整個概念”
量子物理學的整個歷史恰恰表現了完全相反的事實。一開始，在實驗室中出現了一些意想不到的結果，比如光電效應、黑體輻射、原子的光發射光譜。直到後來，當愛因斯坦、普朗克 、玻爾和其他人試圖提供解釋時，這一領域才有了傑出理論學家的加入。
隨後基礎實驗繼續跟進，包括會從鎳上詭異地反彈的電子，因磁場而發生奇怪偏轉的銀原子，以及在低溫下可以完美導電的金屬等等。然後理論和概念再次出現，出現了對偶性、自旋以及超導性等概念。理論與實踐之間這種富有成效的來回交流是建立物理學的根基。除了極少數情況外，通常都是實驗最先出現。
5、“愛因斯坦是量子物理學最大的敵人”
愛因斯坦經常被描述為一個對量子物理學充滿惡意的反對者，這可能是因為他的那句名言：“上帝不會和宇宙玩擲骰子。”然而事實是，他不僅不反對量子力學，而且他還創造了量子力學！1905年，在普朗克的工作基礎之上，愛因斯坦寫了一篇基礎性的文章——《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》。在這篇文章中，愛因斯坦提出，光是由小的、獨立的、一份一份的物體組成的，它們名為光子。事實上，讓它獲得諾貝爾獎的正是這項工作，而不是他在相對論方面的研究。
愛因斯坦之所以留下這樣的“惡名”可能是源於他與玻爾關於量子力學的論戰，尤其是關於詮釋和量子實在的概念，因為他不接受非定域性的概念。後來，關於量子糾纏和違背貝爾定理的實驗證明了愛因斯坦是錯誤的，並證明了隱變量的缺失。愛因斯坦完全理解量子物理學的相關性，他只是對它的一些含義有所疑慮，特別是在於定域性有關的問題上。
6、“量子物理沒有實際用途”
量子物理學可能是現代物理學中最有用的學科。一旦物理學家理解了光、原子和電子的工作原理，就能對它們進行操縱。激光、醫院裡的核磁共振成像、LED燈、閃存、硬盤，還有更重要的晶體管和電子器件，所有這些技術都是量子物理學家發明的。就是這些啦！我希望我破除了量子物理學的一些神秘。最後我想說的是，量子物理學是一門與其他任何科學都一樣的學科……
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