墨子号发射十周年 | 今年，它安静地回来了

2026年1月，“墨子号”结束了将近十年的在轨工作，重新回到了大气层，在最后的时刻，它化作一颗流星划过天边，也许恰好被某个人看到，顺手许下一个愿望。没有直播，也没有发射时的倒计时。相比十年前升空时的万众瞩目，这一次它的谢幕显得格外安静。

2016年8月16日凌晨，长征二号丁运载火箭把它送入五百公里高的轨道。这颗重达六百多公斤的卫星，原本设计寿命只有两年，却一再延长服役时间，最后竟然在天上待了将近十年的时间。完成三大科学目标后，“墨子号”继续开展拓展实验，同时还发挥着科普的功能。直到轨道逐渐降低，它才在一个普通的清晨，结束了自己的太空旅程。

而在这六百多公斤的卫星里，藏着一个比“墨子号”本身早了八十一年的问题。

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第一部分

等了八十一年的问题（从爱因斯坦到贝尔）

1935年，爱因斯坦和两位同事发表了一篇论文，标题就是一句问话：《量子力学对物理实在的描述可以被认为是完备的吗？》他们讨论的是后来被称为量子纠缠的现象。两个粒子一旦处于纠缠状态，即使相隔很远，对其中一个进行测量，也会立刻确定另一个的状态。爱因斯坦无法接受这种“鬼魅般的超距作用”。在他看来，我在这里做什么，不应该改变远处那个东西的真实状态。

▲爱因斯坦的论文截图

他的判断不是“世界原来如此古怪”，而是量子力学可能漏掉了一部分现实。这并不是说量子力学算错了。恰恰相反，它在实验中取得了惊人的成功。爱因斯坦真正追问的是：一套能够准确预测结果的理论，是否也完整描述了测量发生之前的世界？也许粒子的结果早已由某些尚未发现的因素决定，只是现有理论没有把它们写出来。围绕量子力学是否已经完整描述现实，爱因斯坦与玻尔等物理学家展开了长期争论。但问题在于，这样的争论究竟该怎样交给实验来判断？

时间来到1964年，约翰·贝尔终于找到了一个突破口。他证明，如果测量结果早已由一组只在本地起作用的“隐变量”决定，那么它们之间的关联就不可能超过某个上限；而量子力学预言，这个上限会被突破。这就是贝尔不等式。实验者不必先决定自己相信哪一种世界，只需要测量纠缠粒子的关联结果，看它们是否超过这条边界。爱因斯坦留下的哲学疑问，变成了一个可以交给实验检验的问题。

▲贝尔站在黑板前（CERN）

此后的实验一次次支持量子力学。但一个局限始终存在：此前地面上的量子纠缠分发实验，距离大多停留在百公里量级。随着距离越来越远，量子纠缠是否仍然能够被观察和验证？想把距离继续拉长，首先要解决光子的损耗，但是光子在地面光纤中传播距离越远，损耗就越严重。既然地面上越来越难走了，那就不如换条路——上天！

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第二部分

把实验送上太空

2017年6月，青海德令哈和云南丽江的两台望远镜同时抬起头，等待“墨子号”从夜空中经过。卫星上的纠缠源每秒可以产生约800万对光子，其中一个发往德令哈，另一个发往丽江。两个地面站相距1203公里，光子从卫星到两地走过的总路程平均约为两千公里。可穿过大气、跨过这样的距离之后，最终能够被两边同时接收到的，平均每秒只有一对。800万对，最后接住一对。

▲墨子号进行量子纠缠分发（国家空间科学数据中心）

实验就建立在这样微弱的基础上，但是一对就够了。卫星以每秒七公里的速度掠过天空，同时还要把光子准确投向上千公里外的接收望远镜，星地之间的瞄准误差必须被压缩到极小。为了最后平均每秒接住的那一对光子，一群人准备了十年。最终，实验在相距1203公里的两个地点测得了对贝尔不等式的显著违背。这是当时人类在最大空间尺度上完成的量子纠缠检验。一个 1935年被问出来、1964年才变成判断题的问题，被“墨子号”带到了一千两百公里之外。

“墨子号”做的当然不止这一件事。它还完成了星地量子密钥分发和地星量子隐形传态。量子密钥分发所依据的BB84协议，由查尔斯·贝内特和吉勒·布拉萨在1984年提出：密钥被编码在量子态上，一旦有人试图窃听，就会留下可以察觉的痕迹。量子隐形传态听起来更像科幻，但它传送的不是一个粒子本身，而是粒子携带的量子信息。借助纠缠，这个信息可以被转移到远处另一个粒子上。这当然不是电影里把一个人瞬间“传送”到另一个地方，真正的用途，是让未来相隔很远的量子计算机和其他量子设备能够连接起来，从而构建一个“量子网络”。贝内特和布拉萨也为量子隐形传态协议的提出做出了重要贡献。

这样来看，“墨子号”做的几件事其实来自两条走了几十年的研究路线。一条从爱因斯坦、贝尔一路走来，追问量子世界究竟怎样运行；另一条则关心这些规律究竟能拿来做什么。“墨子号”既把量子纠缠检验推进到千公里尺度，也把量子密钥分发和量子隐形传态带到了天地之间。2022年，长期推动贝尔实验的三位科学家获得诺贝尔物理学奖，授奖理由正是表彰他们利用纠缠光子开展实验、验证对贝尔不等式的违背，并开创量子信息科学的工作。2026年，贝内特和布拉萨又因奠定量子信息科学基础的工作获得2025年度图灵奖。

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第三部分

问题还没有结束（谁告诉你，自然是非定域的？）

今年7月28日，布拉萨在中国科学技术大学上海研究院做了一场报告。这里也是“墨子号”诞生的地方之一。报告的题目也像爱因斯坦一样是个问句：谁告诉你，自然是非定域的？

人们通常这样讲贝尔实验：定域隐变量理论无法重现量子力学的预言，实验又一次次支持量子力学，所以自然是非定域的。布拉萨认为，最后这一步走得太快了。他区分了两个问题。一个是：测量结果是否早已被一份隐藏的“剧本”写好；另一个是：我在这里的操作，是否会瞬间改变远处事物的真实状态。贝尔实验否定了前一种特定解释，却未必直接证明了后一种影响。

▲布拉萨墙绘，旁边的话大意为：“对不起，玻尔先生，爱因斯坦是对的：你的量子理论并不完备。”（蒙特利尔大学）

这并不是学界共识。许多物理学家对量子纠缠和非定域性的理解与布拉萨不同，他挑战的也不是贝尔实验本身，而是人们如何解释实验结果。无论采用哪一种解释，量子力学的实验预言不会改变，BB84的工作原理与安全性不会改变，“墨子号”已经完成的那些实验结果当然也不会改变。布拉萨只是把一句已经说得太顺口的话重新变成了问题：实验到底证明了什么，又有哪些东西其实是我们后来加上去的解释？

而这恰好说明了“墨子号”的价值。一个实验的重要性，不只在于它给出答案，还在于它能把问题延伸到多远。当两个测量点的距离越来越远，当实验从地面延伸到太空、开始进入引力和时空效应也需要被考虑的尺度，当结果清清楚楚地摆在那里，我们才有资格继续追问：这究竟意味着什么？

不够好的实验，不值得人们为它的解释争论。

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第四部分

九十年后

九十年里，很多人把这个问题往前推了一步。爱因斯坦坚持量子力学并不完备；贝尔把这份怀疑变成可以检验的不等式；一代代实验者把装置做得更快、更远、更严密；最后，一群中国科学家把实验从地面送入广袤太空。

他们都没有给这场争论写下句号。“墨子号”真正告诉我们的，是在相隔一千两百公里的两个地点，量子力学预言的关联依然经得起实验检验。至于这样的结果究竟说明世界以什么方式存在，今天的物理学家还在争论。实验结果越来越清楚，问题本身却没有因此变得更简单。

今年一月，“墨子号”在大气层中安静地燃尽。它没有等到自己的十岁生日。那个比它早出生八十一年的问题，还在继续。

文章转载自"墨子沙龙"公众号