引言
描绘大自然中的关联
——阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）致马克斯·玻恩（Max Born），1947年3月3日
我们寻求了解宇宙中的事物如何相互关联的旅程，是从光开始的。光奔跑在大自然的快车道上，能够以惊人的速度穿过广袤的空间。
比如说，穿过月球和地球之间的遥远距离只需要不到一秒半的时间。可资比较的是，1969年阿波罗11号载人登月任务中的宇航员，返回地球花了大约三天时间。也就是说，跟那次开天辟地的太空旅行比起来，光的速度要快上大约20万倍。所以也不用奇怪，我们通过用望远镜和其他仪器收集光线对宇宙得到的了解，比通过太空旅行得到的要多得多。
但是结果表明，阿波罗11号对科学来说极为重要。在那次任务中，登月人员中的两位，尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）和巴兹·奥尔德林（Buzz Aldrin），根据指令留下了一组镜子。这些反射器是月球激光测距实验的关键部件。今天我们对光速的了解已经极为精确，因此科学家可以用激光脉冲瞄准月球上的这些（以及其他）镜子，以惊人的精度测出地月距离。这种测试的基础是，我们绝对肯定，真空中的光速极大，但并非无穷大，而是有限且恒定的。
几千年来，我们的祖先对于光速是否有限没多少信心。古希腊人对光穿过太空究竟需不需要时间争论不休。哲学家恩培多克勒（Empedocles）断言，阳光穿过太阳和地球之间的空间绝对要花些时间，因此认为光速是有限的。亚里士多德（Aristotle）承认恩培多克勒的论证有几分道理，但反驳说果真如此的话，我们就应该会看到这个过程的中间阶段。因此，阳光肯定是从太阳瞬间抵达地球的。按照亚里士多德的说法，光速实际上应该是无限的。
直到19世纪中后期，科学家才确凿不疑地证明光速有限。法国研究人员阿曼德·斐索（Armand Hippolyte Fizeau）和莱昂·傅科（Jean-Bernard-Léon Foucault）发明了两种不同的测量方法，而后来美国物理学家阿尔伯特·迈克耳孙（Albert Michelson）的技术又在精度上超越了他们。与此同时，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）从理论上证明，光是一种电磁波（因为电磁作用力的相互作用而产生的扰动），在真空中具有恒定、有限的速度。
光速的影响极为深远。阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论中强调指出，光速限定了普通空间中因果关联作用的最大速度。也就是说，结果不可能在其原因以光速抵达结果所在地所需要的更短时间内出现。比如说，不管用什么办法，你都不可能在比激光抵达月球所需更短的时间里远程让月球上的石头当啷作响。一般来说，涉及物质或能量的任何交互作用，速度都不能超过光在真空中的传播速度。此外，任何有质量的物体，也就是几乎所有的基本粒子，运动速度都必须低于光速。将有质量的亚光速粒子加速到光速需要无穷大的能量，所以显然不可能做到。
物质和信息的传输速度有限虽已经大量实验充分证明，却并不是凭直觉就能理解的。为什么自然界的交互作用要有这么个绝对限制？在比赛中，记录就是用来打破的。在宇宙飞行中，我们渴望能飞得越来越快。银行通过提高授信额度来回报忠实客户-让他们有财务自由的感觉，虽说这感觉到底是真是幻还两说。没有人喜欢受到限制，任何边界我们都想突破。然而就像一个宁静的小镇希望匆匆路过的游客放慢脚步一样，狭义相对论强行规定了一个放之全宇宙而皆准的速度上限。
而且，为什么是这个数值呢？是不是有个早期的动态过程让光速限制更加牢不可破，还是说这个限制从来都是坚不可摧的？有没有可能我们这个宇宙还有些别的版本（或者说跟我们这个宇宙平行存在的其他宇宙），其中的光速跟我们这里大异其趣？现实世界中会不会有那么一些孤立区域，其中的光速是无限的？狭义相对论认定光在真空中的速度固定且有限，但并没有完整解释为何如此。
2011年，久负盛名的《自然》杂志发表了一篇重磅文章《粒子突破光速限制》
，描述了一项新的研究结论，在科学界引发了地震。物理学家几乎不敢相信这个消息。狭义相对论的基本规则（其中就有光速限制这一条）支持者众，因此，很多人都对这个结论表示怀疑。
所讨论的这种粒子是极轻的中微子。最早是首屈一指的量子物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）假设有这种粒子存在，并认为中微子几乎没有（但并非完全没有）质量，而且是电中性的。因此，这种粒子很少跟别的粒子相互作用-基本上只通过所谓的“弱相互作用”来跟别的粒子互动，而这个过程跟某些类型的放射性衰变有关。
中微子极为常见。太阳里的核反应就一直在产生中微子。每时每刻，都有海量中微子快速穿过太空，向地球汹涌而来。但是，由于极少与别的粒子相互作用，这些中微子绝大部分都只是跟我们擦肩而过。因此，精确测定中微子速度非常困难。比如说，我们无法像对光子（光的粒子）那样，让中微子从月球上的反射器上反弹回来，并测量返回地球所需要的时间。
OPERA（带感光乳剂示踪装置的振动项目）团队中的物理学家使用的方法是，记录在大型强子对撞机（LHC）中产生并在大萨索山实验室探测到的中微子的飞行时间，这组实验设施位于高速公路隧道内，以免受到其他粒子的干扰。实验小组报告说，中微子完成这段旅程所花的时间，比光速预计要花的时间少大概60纳秒（1纳秒等于十亿分之一秒）。虽然他们说是在排除了实验错误的各种可能性之后才发表这一结果，但其他科学家同仁都无法重复出他们的超光速数值。最后，这个所谓的重大发现被证明只是计时系统的一个小故障。到头来，所谓超光速中微子只不过是空欢喜一场。
尽管有OPERA实验，我们也不能假定，任何科学理论都会永远成立。尽管爱因斯坦的狭义相对论今天看起来神圣不可侵犯，但说不定有一天，科学家会找到一种绕过光速障碍的办法。实际上，狭义相对论问世之后十年，在爱因斯坦提出的广义相对论中，就有一个很重要的空子可以钻：如果物质和能量令所在空间弯曲得太厉害，这个空间就可能会自己跟自己连接起来，而在两个本来距离遥远的地点之间，就有可能出现超光速连接。在1936年的一篇论文中，爱因斯坦和他的助手内森·罗森（Nathan Rosen）正式提出了这个想法。后来，物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）给空间中的这种捷径起了个名字，叫作“虫洞”。虽然虫洞的概念仍然纯属猜测-没有人知道虫洞究竟能不能用来扭转因果关系，还是说物理学定律会以某种方式阻止这种情况发生-作为广义相对论理论上的解决方案，其存在还是带来了大自然究竟是如何关联起来的这一重要问题。
宇宙的结构是如何形成的？我们对这个问题的直观看法未必总是能跟宇宙的实际情形相符。在历史上，以普遍看法为基础、信奉者众的概念，从太阳系的地心说模型到静态空间的想法，曾经一次次崩塌。就在我们以为自己牢牢掌握了现实真理的时候，总会有些完全出乎意料的事情，比如20世纪20年代发现的宇宙在膨胀，来把我们的信心击个粉碎。
量子力学神妙莫测的规则似乎违背了物理学的预期。量子力学展现了基本粒子可以不通过中间介质交流信息，就能在遥远距离让彼此的特征协调一致。20世纪二三十年代人们提出了“纠缠”的概念，从那以后，让这个概念跟我们的感官证据相符，就成了一场旷日持久的艰苦斗争。
纠缠不是信息交换，而是有量子特征的关联。在某些情况下，纠缠发生作用的速度比纯粹的因果信息交流（需要一连串以光速或更低速度进行的中间步骤）所允许的速度更快。量子纠缠允许自然界存在两条“管道”：其一为信息通道，以光速或更低速度起作用；其二为量子关联，也许会在观测时立即显现。
实际上，这两者之间并不存在矛盾。物理学已经学会了兼容并包。量子理论学家查斯拉夫·布鲁克纳（Časlav Brukner）就曾评论道：“我不认为量子纠缠与广义相对论有任何矛盾。毕竟我们有弯曲时空的量子场论，这个理论运用起来完全没有问题。”
尽管如此，多年来还是有很多科学家一直在思考，一个既超越了相对论也超越了量子物理学的基础理论，是否有可能对事物在大自然中-从微观尺度到整个宇宙-如何相互联系起来提供一个统一的解释。统一场论不是把量子物理学的关联缝缀在普通的相对论绣面上，而是从简单的数学经纬线开始，编织出浑然天成的织物。最后得到的会是完全量子化的引力理论，及所有其他相互作用和关联。
沿着这个思路，有条推理路线是假设定域性（任何物体的特性都由与之紧邻的情况决定）和因果关系是涌现现象，在量子世界的最深处并不存在，只有从量子世界内部逻辑的联合应用中才会自然而然地产生。假设有一位点彩派画家看似随意地在各个点上轻轻涂抹，但是随着图案和主题将整个画布联成一体，她的观众会错愕万分地看到一幅错综复杂的杰作慢慢呈现出来。同样也可以想象，非定域性、非因果关联的基本现实也可以发展成局部实体之间存在因果关联的网络，其中就蕴含了广义相对论的框架。
不过也有可能会有人说，量子世界的奇特性质只不过是因为我们缺乏认识而带来的错觉。这种情况下我们可能会认为经典物理学的那些定律仍然颠扑不破，并试图用设置在背景中的看不见的链接来解释纠缠——就好像一个坚如磐石的钢铁骨架秘密支撑着一座薄如蝉翼的摩天大楼一般。事实已经证明，制定这样一个“隐变量”策略同时又不违反无数量子纠缠实验结果，是一件非常难办的事情，但还是有些孜孜以求的研究人员仍在继续尝试。
这种大统一的努力可以追溯到爱因斯坦，他认为量子力学并不完备，并为此感到沮丧。他公开反对量子纠缠，认为这是“瘆人的超距作用”，并指出宇宙中的一切过程都有因果关联。如果某个物体的特性取决于另一个物体，那么我们就应该能够证明，两者之间存在像多米诺骨牌一样的因果链。在这个问题上他借用了日常经验。如果有座火山在离你的滨海别墅数百千米的一座小岛上爆发，过了一段时间之后你的厨房开始摇晃，你就可以合情合理地推断，地震波从前者传给了后者。如果结果表明附近那个嗡嗡作响的建筑工地才是真正的罪魁祸首，那也仍然是因果关系的一个范例。也就是说，任何给定结果，都一定有导致该结果的一系列原因链条。
此外，按照爱因斯坦的说法，任何对象的物理属性原则上都应该是完全可知的（假设仪器完美无缺），而且完全取决于该对象附近的条件——这套标准叫作“定域性原理”。就像风向标一样，任何东西只要测量得当，就都应该能显示出这个东西在什么位置，运动得有多快，及在其周围是什么导致其运动。然而大量实验结果都表明量子纠缠千真万确，定域性原理并不能完整描述量子相互作用，而这位卓越的物理学家关于这个问题的直觉并不正确。他的常识性观点，认为自然界中的事件必定相互关联，被证明是有问题的。不过，他认为这是个非常严肃的哲学难题，不应该就这么束之高阁，这倒是对的。
我们对于事物如何相互关联的直觉，常常都会很有用处。但有时候这些直觉也会错得一塌糊涂——不仅在物理学中，在我们日常的生活经验中也是如此。如果我们的认知对了，那简直就是个奇迹。认知力是一件超凡的工具。关注未来——通过收集数据并用于形成心智模型——是我们人类的专利。但就跟视觉会产生错觉一样，我们的感官也会欺骗我们。18世纪的苏格兰哲学家大卫·休谟（David Hume）就曾经指出，我们相信因果关系是因为我们有这样的印象，但这些印象也可能会误导我们。因此，要描绘出物理学中这些错综复杂的关联，还要考虑到相对论和量子力学这些不那么直观的规则，我们需要确保我们知道如何区分真相和假象，也就是把真正的规律跟毫无意义的巧合区分开——这项任务可并不总是那么简单。
古往今来，很多伟大的思想家都将有理有据、可资检验的科学关联与伪科学的分析混为一谈。毕达哥拉斯（Pythagoras）学派提出了关于数学的重要见解（如著名的关于直角三角形的边的一个极为重要的定理），也提出了似是而非的数字命理学（对某些数字奉如神明）。德国数学家约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）以自己对几何学“大道至简”的直觉为基础建立了行星运动的早期模型，随后转向实验数据，才认识到自己一开始的直觉是错的。他还给人占星算命来赚外快。但是，一旦用更系统的方法来分析行星数据，他的理论就马上走上了正轨。英国伟大的生物学家阿尔弗雷德·华莱士（Alfred Russel Wallace）独立于达尔文发现了通过自然选择进化的的科学进化论概念，但是也对伪科学甘之如饴，相信灵媒的力量，也认为通灵真有其事。像这样既发现了有效关联也陷入过错误关联的人不胜枚举。就算是科学家，也并非总是能把真相与假象区分开。
我们来看看共时性这个概念的例子，这是1930年瑞士心理学家卡尔·荣格（Carl Jung）发明的词，表示“非因果性原则”。虽然他把这个概念归功于跟爱因斯坦共进晚餐时关于相对论的讨论，及对梦境、巧合和文化原型的个人分析，但是在他跟泡利讨论过量子物理学的新颖特征（将其与经典力学的决定论区分开的那些特征）之后，这个概念才开始炙手可热。回过头来看，荣格认为科学需要一种新的非因果性原则，这个见解堪称绝妙，也颇有先见之明。但是，他接受跟“有意义的巧合”有关的轶事证据的门槛很低，根本不会加以统计分析来剔除那些站不住脚的关联，这是他工作中的重大失误。对于事物之间什么时候有关联，荣格非常相信自己的直觉。但是，考虑到大脑时不时会向壁虚构一些错误的链接出来，单纯凭直觉行事可算不上真正的科学。
然而，如果有人像爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和罗森在1935年的一篇著名论文（我们经常称之为“爱波罗EPR”论文）中指出的那样，完全否定远程的非因果关联，那么两个天遥地远却能互相纠缠的粒子，又是怎么预知观测者打算测量的是什么属性的呢？比如说，如果测量了其中一个粒子的动量，就能马上知道另一个粒子的动量，那么第二个粒子是怎么马上做好准备的？这个粒子是不是施了什么“读心术”？爱因斯坦觉得不是，而是主张更完备的解释：物理量的取值在被测量之前也是客观存在的——即使实际设备的局限让我们无法测出来。
无独有偶，差不多正是爱因斯坦将量子纠缠的正统描述说成是某种“读心术”，在客观的科学中并没有一席之地的时候，美国资深植物学家约瑟夫·班克斯·莱因（Joseph Banks Rhine）激烈辩称，有必要对所谓特异功能人士所宣称的读心术加以科学探索。比如说，“有通灵天赋”的人猜中藏起来的卡片上的图像的概率能不能比瞎蒙高一些？为此，莱因创建了心灵学。
莱因的观点引起了一些量子物理学家的兴趣，其中就有泡利和他的朋友帕斯夸尔·约尔丹（Pascual Jordan）。虽然泡利对自己对心灵学的兴趣总是讳莫如深，但他对看不见的关联的兴趣却逐渐浓厚起来。在物理学的很多领域中，比如在评论爱因斯坦为统一自然规律而试着提出的模型的时候，泡利都会死命坚持其怀疑态度。但是在心灵学领域却出人意料，泡利非常愿意信以为真，至少有一段时间是这样。在被介绍给瑞士心理学家荣格做精神分析之后，泡利和荣格开始探索共时性的概念，希望能建立起非因果性原则决定的现实。
荣格和泡利正确指出，科学需要超出决定论和因果关联的期望。尽管如此，他们在试图找到大自然中非因果关联的例子时还是变得过于急切。他们试图将量子纠缠与日常生活中的机缘巧合类比起来，比如梦境中的预兆、文化中的共性（荣格称之为“原型”，并归因于“集体无意识”）等等。遗憾的是，在建立这样的联系时，他们将真正的科学谜团——为什么决定论的因果关联与涉及偶然因素的非因果关联在自然界中并存与未经证实的伪科学猜想混淆了起来。人们，就算是训练有素的科学家，都并非总能判断出哪些关联是真有其事，哪些站不住脚。实际上，经试验证实的远距离交互作用跟仅仅感觉到两起事件有隐藏联系毫无共同之处。经无数团队的辛勤工作证实过的可重复的实验结果，是真正的试金石，仅凭第六感是不够的。
量子物理学尽管有怪异的一面，但远远说不上漫无边际、模糊不清。刚好相反，虽然其杂合框架中包含了偶然、相关性和连续性的奇怪混合，在此背景下却能得出极为精确的预测。这里面也包括实际应用，比如医院里天天都在用的核磁共振成像（MRI），及正在日本测试的超导磁悬浮列车，悬浮在轨道上，能达到惊人的速度。
维也纳有个研究小组，在富有创新精神的物理学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）的领导下，多年来一直在量子瞬移和量子加密领域进行着激动人心的研究。利用量子纠缠，他们已经能够跨过创纪录的距离，将跟光子的量子态有关的信息从一个地方瞬间传送到另一个地方。该团队最近在探索的方向之一是，将光子的状态信息发送给中国的量子科学实验卫星“墨子号”，以期了解有没有可能将纠缠系统用于加密，创建出几乎无法破译的密码。他们的工作证明，非因果性关联，比如量子纠缠，不但极为重要，而且非常实用。
尽管理论学家在为量子物理学中的计算规则究竟是什么含义大伤脑筋，实验学家却在为屡试不爽的测量结果拊掌称快。要透彻了解整个大自然，我们必须学会将相对论的钢梁与量子世界柔韧但绝对有力的钢丝网调和起来。有的时候，同一个系统可能既有因果关联，也有共时性的属性。
就比如说太阳。太阳的光和热通过依赖于量子规则的核反应产生，而光和热释放到太空中的速度来自因果关联：光速。虽然哲学家对于太阳能量从何而来的问题苦思冥想了好几千年，但直到20世纪，科学家才找到了一个让人满意的答案。而这个答案，是好多种过程的大杂烩。