如果你和貝爾一樣接受EPR論證,那麼你大概會認可某種「隱變數理論」。不過EPR倒是相當謹慎,只願意說:「比波函數更完備的描述是否存在?我們不下定論,但我們相信這樣的理論是可能的。」對於EPR留下的問題,貝爾不等式的出現是一大進展。
在解釋何謂貝爾不等式之前,我得先以之前提過的波姆的自旋單態為例,來介紹「相關」(correlation)這個概念。如果有一對自旋1/2粒子(例如電子)共同構成一個單態,我們讓其中一個粒子向正x軸方向(東)前進,另一個向西跑;由於單態是總角動量為零的量子狀態,所以兩個粒子的自旋沿著任意軸的分量必然是相反的。之前說過,如果觀測者A測量到向東跑的粒子I的自旋沿著z軸的分量為+1(以h/4π為單位),那麼觀測者B測量到往西的粒子II沿著z軸的自旋分量就為–1,我們把這個測量結果登記為(+, –);反過來,如果粒子I的自旋為–1,則粒子II的自旋就等於+1,這個測量結果記為(–, +)。如果我們反覆從事這樣的實驗與測量,全部的結果可以記為一連串的(+, –)或(–, +),例如{(+, –)、(–, +)、(–, +)……}。
量子力學告訴我們,就單態而論,(+, –)會以1/2的機率隨機出現,(–, +)亦同。如果A與B所測量的是粒子自旋沿著其他任意方向(例如y軸)的大小,(+, –)與(–, +)也一樣是隨機出現,出現的機率也都是1/2。由於A若測量到+1(–1),B必測量到–1(+1),我們就說兩者的測量有完全(負)相關。
貝爾說對於不懂量子力學的一般人而言,這種完美相關一點也不奇怪:「他會指出這種相關在日常生活很常見,我的朋友伯特曼的襪子就是常被引用的例子。伯特曼博士喜歡穿左右顏色不同的襪子(例如粉紅色與綠色),每天哪隻腳穿什麼顏色是不可預測的,但是一旦你看到第一隻襪子是粉紅色的,就能確定另一隻襪子不會是粉紅的。……EPR那回事不也是一樣嗎?」
伯特曼的左(或右)腳在隨機套上襪子之後,其顏色即使尚未被看到就已經確定。如果EPR是對的,在波姆的版本中,粒子的自旋在測量前也已確定。所以可以這麼看波姆的實驗:粒子可分成兩類{z+}與{z–}(就像伯特曼的襪子可分粉紅色與綠色兩類),第一(二)類粒子的自旋沿著z軸的分量是+1(–1);只要我們假設這兩類粒子各佔粒子總數的50%,當一個{z+}({z–})粒子往東時,就搭配一個{z–}({z+})粒子往西,每次實驗往東粒子的類別是隨機挑選的。在此安排下,就可得到波姆實驗呈現的相關。類似地,如果A與B測量的是沿著y軸的自旋分量,我們只要假設粒子有兩類{y+}與{y–},在類似的前提下,也可說明實驗結果。z+與z–指涉的是粒子所具備的(實在)本性,這就是量子力學中所沒有的隱變數。
更複雜、相關程度未必完美的情況,也可以利用類似的隱變數假設來解釋嗎?例如,對於每次的實驗,A可以任意選擇要測量粒子I的自旋沿著z軸或是y軸的分量,B也類似。例如A在某次實驗選擇測量y軸分量,得到–1,B選擇測量z軸分量,得到+1,我們把這個結果記為(y–,z+)。在一連串的測量之後,實驗記錄會類似{(y–,z+)、(z–,z+)、(y+,z+)、(z–, y+)……}。我們如果要利用隱變數來解釋這個結果,可以假設粒子有四類:{z+, y+}、{z+, y–}、{z–, y+}、{z–, y–};其中{z+, y+}這一類粒子的特性是,當A(或B)測量其自旋z分量時,會得到+1,若是測量y分量,也會得到+1;其他類型粒子的特性依此類推。我們只要讓當粒子I屬於{z+, y+}類時,粒子II必屬於{z–, y–}等等,以及適當安排每一類粒子所佔比例,就可得到量子力學所預期的相關程度。
貝爾的創見就是:如果我們進一步讓A與B可以各自隨意地從三個軸(yz平面上的三個不同方向)中擇一去測量粒子自旋分量,隱變數的設定就會遇上麻煩。