過往半世紀裡，有一項令人不安的發現是這個宇宙並不具有局域實在性（local realism）。在這種情況下，「實在性」（reality）意味著物體具有獨立於觀測的明確性質。例如，一顆蘋果是紅色，即使沒人在觀看；「局域性」（locality）意味著物體只會受到周遭環境所影響，而任何影響的傳遞速度都不能快於光速。量子物理前瞻的研究發現，這兩種性質無法同時成立。而且有證據顯示，物體不單只受到周遭環境所影響，在測量前還可能缺乏明確性質。

當然，這和我們的日常經驗大相逕庭。就如某次愛因斯坦對朋友感嘆道：「你真的相信當你沒在看月亮時，它就不在那裡？」以英國知名作家亞當斯（Douglas Adams）的話來說，局域實在性的滅亡讓許多人非常生氣，大多視其為糟糕的進展。

如今，三位物理學家柯羅瑟（John Clauser）、艾斯培（Alain Aspect）與柴林格（Anton Zeilinger）證實這一糟糕的進展。他們因為「用纏結的光子做實驗，確立了違反貝爾不等式（Bell's inequality），並開創量子資訊科學」，共同獲頒2022年諾貝爾物理獎。貝爾不等式指的是1960年初期，北愛爾蘭物理學家貝爾（John Stewart Bell）的開創性研究，他為2022年諾貝爾物理獎打下基石。由於推翻了我們所熟悉的實在性，物理學家認同這三位值得獲獎。英國布里斯托大學的量子物理學家波皮斯庫（Sandu Popescu）說：「早該得獎了，毫無疑問、實至名歸。」

國際商業機器公司（IBM）知名的量子研究學者班奈特（Charles Bennett）說：「柯羅瑟最早開始做這些實驗，持續地獨自說明這不只是哲學，而是實在的，就如同其他實在的事物，它可能是實用的。」美國麻省理工學院（MIT）的物理及歷史學家凱薩（David Kaiser）說：「每年我都在想，會不會是今年。結果2022年他就獲獎了。令人非常感動、非常興奮。」

由冷門研究變為熱門是一段漫長歷程。自1940年起，遲至1990年代，所謂的量子基礎研究一般認為頂多算是哲學，說難聽點，甚至視為瘋狂行為。許多科學期刊拒絕刊登這個主題的論文，全力投入這類研究的學術職位幾乎沒有。1985年，波皮斯庫的指導教授警告他，博士論文別做這方面的題目。波皮斯庫說：「他說：『聽著，你如果做這主題，可以快活個五年，然後就是失業。』」

如今量子資訊科學是所有物理領域裡最活躍的其中一個。這個領域經由依舊神秘的黑洞現象，連結了愛因斯坦的廣義相對論與量子力學。這門學問決定了量子感測器的設計與功能，逐漸廣泛地運用於研究各種事物，從地震到暗物質等。這類研究澄清了常令人困惑的量子纏結性質，此現象對現代材料科學很關鍵，也是量子計算的核心。美國國家標準與技術局的物理學家雲格赫朋（Nicole Yunger Halpern）問道：「量子電腦為何是『量子』？最普遍的答案之一是纏結（entanglement），而我們能夠理解纏結的主要原因，在於貝爾與這些諾貝爾獎得主的偉大研究。如果沒有這些關於纏結的認識，我們很可能無法實現量子電腦。」

鐘聲（Bell）為誰而響

量子力學的問題從不在於它的預測有錯，事實上，自物理學家於20世紀初期發現它開始，這套理論就可以極佳地描述微觀世界。然而，愛因斯坦、波多斯基（Boris Podolsky）與羅森（Nathan Rosen）在1935年發表那篇知名的論文，他們質疑的是這套理論所隱含、令人不安的實在性。他們的分析方法依三人姓氏字首簡稱為EPR，其核心為一個用來說明量子力學荒謬性的想像實驗。他們的目標是說明在特定情況下，這套理論會失效、或至少得出荒謬結果，與我們對於實在性的最深層假設互相牴觸。

一個現代簡化的EPR想像實驗是：由一個共同源頭送出一對粒子，沿不同方向行進抵達兩位觀測者：位於太陽系相反兩端的愛麗絲與鮑伯。根據量子力學，在測量前無法得知個別粒子的自旋（單一粒子的某種量子性質）。一旦愛麗絲測量她的粒子，則其自旋可為「向上」或「向下」。這結果雖然是隨機，但當她測量到自旋向上時，則立刻知道相對應的鮑伯粒子、具有隨機不確定性的自旋現在必定向下。乍看之下，這並不奇怪。或許這對粒子就像一雙襪子，如果愛麗絲拿的是右腳的，則鮑伯拿的一定是左腳的。

但在量子力學裡，粒子並不是襪子，它們只有在測量時才會選定自旋向上或向下。這是EPR的主要難題：如果愛麗絲的粒子在測量前沒有明確的自旋，那麼鮑伯的粒子沿另一方向飛掠海王星、飛出太陽系時，怎麼知道要如何表現？愛麗絲在每次測量她的粒子時，都猜到鮑伯測量他的粒子時會得出什麼結果：自旋向上或向下？連續200次猜對的機率是1060之一，1060這數目比太陽系裡的總原子數還多。儘管這一對粒子相隔數十億公里，量子力學說愛麗絲的粒子可以持續正確預測，就如同與鮑伯的粒子有心電感應一般。

為了凸顯量子力學的不完備性，EPR最終指出的想像實驗結果，反而增強這套理論裡最令人難以置信的信條。在量子力學裡，大自然不具有局域實在性：在測量粒子前，其自旋可能沒有向上或向下，而一對粒子不管相隔遠近卻似乎可以交流。（不過，由於測量結果是隨機的，所以這兩者的相關性無法用於超光速傳播。）

懷疑量子力學的物理學家提議，這個謎團可以用隱變數（hidden variable）來解釋，這是難以察覺、隱藏於次原子尺度的實在性，藏有粒子未來狀態的資訊。他們希望隱變數理論可以恢復量子力學所不允許的局域實在性。波皮斯庫說：「我們以為，那時候愛因斯坦、波多斯基與羅森會引發革命，導致所有人都開始研究隱變數理論。」

不過，大多數物理學家接受了量子力學的現狀，並沒跟隨愛因斯坦對量子力學的「攻擊」。這倒不是因為他們在深思後接受了非局域實在性，而是因為不願意想得太深。後來美國物理學家摩明（N. David Mermin）把這種鴕鳥心態稱為「閉嘴、計算就對了」。缺乏興趣的原因之一是，極負盛名的科學家馮紐曼（John von Neumann）在1932年發表了一個數學證明，排除了隱變數理論。必須說明的是，馮紐曼的證明在三年後就由一位年輕的女數學家赫曼（Grete Hermann）所反駁，但那時似乎沒人注意到這件事。

不具有局域實在性的問題還會再拖個30年，直到貝爾破解。貝爾從研究生涯早期就被正統量子力學的解釋所困擾，而比較贊同隱變數理論。1952年，他得知美國物理學家波姆（David Bohm）提出一個可行的量子力學非局域隱變數詮釋，而馮紐曼宣稱這是辦不到的，讓他靈感突現。

貝爾在日內瓦附近的歐洲核子組織（CERN）工作，身為粒子物理學家之餘，思考這個問題長達多年。1964年，他重新發現了赫曼所指出馮紐曼論證裡的瑕疵。然後在嚴謹的思考後終於獲得成果，貝爾得出一項定理，把局域隱變數的問題由形而上的泥淖拖離至實驗的堅實地面。

通常局域隱變數理論與量子力學會預測出無法區別的實驗結果。貝爾所理解到的是，在確切條件下，這兩者在實驗上可以有所區別。在貝爾測試裡（從EPR想像實驗演變而來），愛麗絲與鮑伯同樣接收一對粒子，但這時他們各自擁有兩種偵測器：A與a、B與b。這些配置是額外的設計，可以排除愛麗絲與鮑伯之間表面上的心電感應。在局域隱變數理論裡，一個粒子無法知道另一個粒子所提的問題。它們的相關性在事先就秘密設置了，不受偵測器設定更新所影響。但是根據量子力學，當愛麗絲與鮑伯選了相同設定時（同時朝上或同時朝下），一個粒子會察覺另一個粒子所提的問題，然後兩者會有完美的相關性，這是任何局域理論都無法解釋的。也就是說，它們互相纏結。

因此，測量許多對粒子的相關性之後，可以證實哪個理論是對的。如果相關性低於貝爾定理所導出的一個限制，則表示隱變數理論存在；如果超出貝爾定理所導出的限制，則量子力學將具備令人難以置信的信條。儘管可能有助於判定大自然的實在性，由於貝爾定理發表在較不知名的期刊，因此許多年都沒受到重視……


指出矛盾：北愛爾蘭物理學家貝爾（John Stewart Bell）在1960年代提出的不等式，引發了量子物理的寧靜革命。