偶然相遇——隨機(jī)數(shù)傳奇

劉安立

美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室鳥(niǎo)瞰照。

如果不是因?yàn)殡S機(jī)數(shù)短缺，歷史上最有名的一個(gè)間諜網(wǎng)恐怕就永遠(yuǎn)不會(huì)暴露。這一短缺發(fā)生在1941年末，也就是第二次世界大戰(zhàn)開(kāi)始兩年后。當(dāng)時(shí)，希特勒的軍隊(duì)企圖踏平莫斯科，蘇聯(lián)領(lǐng)導(dǎo)人斯大林下令重要人員撤離該市。在隨后的混亂中，蘇聯(lián)情報(bào)機(jī)構(gòu)、克格勃的前身——內(nèi)務(wù)人民委員部（簡(jiǎn)稱NWD）犯了一個(gè)錯(cuò)誤，導(dǎo)致試圖滲透美國(guó)絕密計(jì)劃——“曼哈頓”（美國(guó)原子彈研發(fā)計(jì)劃）的蘇聯(lián)間諜全軍覆沒(méi)。

上述錯(cuò)誤與NKVD的密碼冊(cè)有關(guān)。這些密碼冊(cè)都只一次性使用。它們運(yùn)用隨機(jī)數(shù)擾亂字母、單詞和短語(yǔ)組合順序。任何一次性密電的隨機(jī)數(shù)密鑰都只有密電發(fā)送和接收者知道。沒(méi)有密鑰，就不可能解讀加密電文。一次性密碼使用一次就銷毀，如果使用得當(dāng)，密電就完全不會(huì)被破解。但制作隨機(jī)數(shù)密鑰需要印刷大量隨機(jī)數(shù)。外界無(wú)人知道蘇聯(lián)人怎樣產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，畢竟當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)還處在雛形階段。有一種說(shuō)法是，NKVD雇傭一批女性在一個(gè)房間里隨機(jī)說(shuō)出數(shù)字。還有一種說(shuō)法是，NKVD使用了一種類似彩票機(jī)的裝置，利用號(hào)碼球形成隨機(jī)數(shù)。

這類證據(jù)證實(shí)了維羅納計(jì)劃的有效性

據(jù)退休女物理學(xué)家簡(jiǎn)后來(lái)回憶，蘇聯(lián)當(dāng)時(shí)無(wú)法快速制造所需的足夠隨機(jī)數(shù)。面對(duì)加密數(shù)萬(wàn)份密電的需求，NKVD官員圖省事，印制了超過(guò)3.5萬(wàn)張復(fù)制的隨機(jī)數(shù)密鑰分配給戰(zhàn)地間諜。這一致命錯(cuò)誤讓美國(guó)譯碼員通過(guò)尋找加密電文中的重復(fù)模式，破譯了原本牢不可破的密電。

兩年后，即1943年，美國(guó)軍方的信號(hào)情報(bào)局（國(guó)家安全局的前身）開(kāi)始執(zhí)行旨在監(jiān)視蘇聯(lián)外交電報(bào)的“維羅納”計(jì)劃。1946年12月，年輕的美國(guó)語(yǔ)言學(xué)家及譯碼員加德納破譯的一份密電中提到了參與“曼哈頓”的美國(guó)科學(xué)家名字。這最終導(dǎo)致向蘇聯(lián)泄露美國(guó)原子彈計(jì)劃的所有間諜曝光，其中包括在1953年被處決的一對(duì)夫婦。“維羅納”在美蘇冷戰(zhàn)中的重要角色直到1995年才為公眾所知，當(dāng)時(shí)該計(jì)劃被最終解密。

簡(jiǎn)告訴記者，直到1980年，美國(guó)情報(bào)部門依然通過(guò)“維羅納”破譯蘇聯(lián)密電。簡(jiǎn)的丈夫理查也是洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的退休物理學(xué)家?！岸?zhàn)”期間，就連洛斯阿拉莫斯鎮(zhèn)的存在也是高度機(jī)密，參與“曼哈頓”的科學(xué)家均使用當(dāng)?shù)氐耐粋€(gè)郵箱。

網(wǎng)絡(luò)安全隱憂

目前產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方式不可持續(xù)，網(wǎng)絡(luò)并非那么安全。那么，能否找到一種不怕黑客破壞的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方式？

簡(jiǎn)和理查都對(duì)隨機(jī)數(shù)的現(xiàn)狀感到擔(dān)憂。一個(gè)鮮為人知的事實(shí)是，如果沒(méi)有隨機(jī)數(shù)，國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)和全球大部分經(jīng)濟(jì)都無(wú)法運(yùn)作。作為網(wǎng)絡(luò)安全的源泉，隨機(jī)數(shù)保護(hù)著從國(guó)家電網(wǎng)到機(jī)票銷售的一切事物。就像間諜使用的一次性密鑰，聯(lián)網(wǎng)電腦互發(fā)隨機(jī)數(shù)作為密鑰來(lái)解鎖數(shù)字密碼。當(dāng)然，電腦密碼不是為了保護(hù)間諜身份不被泄露，而是為了加密網(wǎng)上密碼、信用卡數(shù)據(jù)等等。

其實(shí)，你每次在網(wǎng)站購(gòu)物或輸入信用卡信息，你所使用的電腦都會(huì)從其核心部位產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，它把你與電腦的交互和你的身份與任何他人與電腦的交互及其身份區(qū)分開(kāi)。雖然隨機(jī)數(shù)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)崩潰的危機(jī)并非迫在眉睫，但產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的技術(shù)顯然已難以跟上互聯(lián)網(wǎng)流量的無(wú)限制增長(zhǎng)。諸如亞馬遜這樣的巨型網(wǎng)絡(luò)零售商的電腦，可能需要同時(shí)處理上萬(wàn)樁交易，其中每一樁都需要一個(gè)獨(dú)特的隨機(jī)數(shù)密鑰。6年前的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在互聯(lián)網(wǎng)使用的近2.7萬(wàn)個(gè)密鑰（抽樣樣本）實(shí)際上不是隨機(jī)數(shù)，因而無(wú)法抵御黑客侵襲。所以，目前產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方式是不可持續(xù)的，網(wǎng)絡(luò)并不像人們以為的那么安全。

能否找到一種不怕黑客破壞的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方式？這一任務(wù)比聽(tīng)起來(lái)要困難些。

隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

隨機(jī)性必須具有不可預(yù)測(cè)和不可復(fù)制特征。隨機(jī)性的本質(zhì)特征是可重復(fù)，即兩種概率相等的狀態(tài)中有一種可能出現(xiàn)得多得多。

究竟什么是隨機(jī)數(shù)？計(jì)算機(jī)怎樣產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)？隨機(jī)性并不總是容易識(shí)別。考慮這串?dāng)?shù)字：1.41421356237309504880168872420（簡(jiǎn)稱數(shù)字串A）。它看起來(lái)當(dāng)然是隨機(jī)的——它沒(méi)有任何可識(shí)別的模式。任何隨機(jī)數(shù)都必須滿足的標(biāo)準(zhǔn)之一是：隨機(jī)數(shù)串當(dāng)中每一個(gè)數(shù)都獨(dú)立于它之前那個(gè)數(shù)（比如不能是1248，因?yàn)檫@個(gè)數(shù)字串中每個(gè)數(shù)都等于它前面那個(gè)數(shù)乘以2）。數(shù)字串A顯然符合隨機(jī)數(shù)的這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。但數(shù)字串A并未達(dá)到密碼學(xué)所要求的隨機(jī)性程度。雖然看起來(lái)是隨機(jī)分布的，但數(shù)字串A是可預(yù)測(cè)的：它是2的平方根。因此，數(shù)字串A不能被用作一個(gè)密鑰來(lái)加密數(shù)據(jù)——任何懂一些數(shù)學(xué)的人都能識(shí)別這串?dāng)?shù)字。為了高水平安全，只有復(fù)雜性是不夠的，還必須有不可預(yù)測(cè)性和不可復(fù)制性。

彩票開(kāi)獎(jiǎng)基本上是一種隨機(jī)數(shù)發(fā)生過(guò)程。

大多數(shù)人都對(duì)隨機(jī)性的本質(zhì)有所見(jiàn)識(shí)。人的直覺(jué)在隨機(jī)性王國(guó)中失敗的一個(gè)經(jīng)典例子被稱為“賭徒悖論”，即相信過(guò)去的結(jié)果會(huì)影響未來(lái)的結(jié)果。例如，如果前10次拋硬幣的結(jié)果都是落下來(lái)的硬幣正面朝上，那么你很容易相信第11次的結(jié)果是反面朝上。但實(shí)際上，正面或反面朝上的概率均為50%。西方人在不經(jīng)意間對(duì)“賭徒悖論”的信奉，毫不奇怪讓許多賭場(chǎng)賺了大錢。這方面的一個(gè)著名案例出現(xiàn)在1913年8月18日的摩納哥（歐洲西南部國(guó)家）蒙特卡羅賭場(chǎng)。當(dāng)時(shí)，一只輪盤（賭博工具）的輪子連續(xù)26次停在黑色位置。在此過(guò)程中，賭徒們不斷加倍對(duì)輪子停在紅色位置的下注額。那一天，由于賭徒們對(duì)隨機(jī)事件不能重復(fù)的篤信，賭場(chǎng)簡(jiǎn)直賺翻了天。事實(shí)上，既然是隨機(jī)的，就不是均衡的，如擲硬幣時(shí)反復(fù)多次出現(xiàn)正面向上的結(jié)果，而不出現(xiàn)或很少出現(xiàn)反面向上的結(jié)果。也就是說(shuō)，隨機(jī)性的本質(zhì)特征就是重復(fù)性，即兩種概率相等的狀態(tài)中有一種可能（重復(fù)）出現(xiàn)得多得多（這叫作偏倚）。

著名的呆伯特（卡通人物，身居斗室的生意圈里的平庸之輩）漫畫里有一幅畫的是呆伯特來(lái)到公司地下室，看到了公司的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。那是一臺(tái)巨大的機(jī)器，呆伯特坐在它面前說(shuō)：“9，9，9……”有時(shí)候隨機(jī)數(shù)發(fā)生器也會(huì)如此發(fā)聲。這聽(tīng)起來(lái)不是隨機(jī)的，但隨機(jī)數(shù)發(fā)生器不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生直覺(jué)根本想不到的很長(zhǎng)的隨機(jī)數(shù)串。

就算是計(jì)算機(jī)，在產(chǎn)生隨機(jī)性方面也有麻煩。與人不同，計(jì)算機(jī)是程序化的，因而是可預(yù)測(cè)的。那么，程序化的計(jì)算機(jī)是怎樣產(chǎn)生無(wú)序（隨機(jī)性）的呢？今天的計(jì)算機(jī)依賴的是偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，即利用計(jì)算機(jī)電子線路中的背景振動(dòng)、并將這種靜電干擾轉(zhuǎn)換為數(shù)字的軟件。它們之所以被稱為“偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器”，是因?yàn)樗鼈冎皇窃谀M真正的隨機(jī)性的變幻無(wú)常。它們產(chǎn)生的數(shù)字或許看起來(lái)就像從存錢罐里倒出的硬幣一樣無(wú)序，但因?yàn)檫@些數(shù)字是通過(guò)軟件（程序規(guī)則）設(shè)計(jì)出來(lái)的，所以它們并不真正是隨機(jī)的。偽隨機(jī)數(shù)只是很復(fù)雜，而不是隨機(jī)的。

輪盤及其轉(zhuǎn)輪（賭博用具）。

早期輪盤賭徒對(duì)隨機(jī)性認(rèn)識(shí)不足。

因?yàn)槭莻坞S機(jī)數(shù)，所以總有一種可能性——有了計(jì)算機(jī)程序的足夠的輸出數(shù)據(jù)，黑客就可能弄清程序的算法規(guī)則來(lái)產(chǎn)生數(shù)字。例如，2010年有黑客利用一個(gè)設(shè)計(jì)不佳的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器突破了索尼“PS3”游戲機(jī)的安全防范，從而可能讓任何有足夠?qū)I(yè)知識(shí)者在這種游戲機(jī)上運(yùn)行盜版游戲。2016年，美國(guó)艾奧瓦州一名彩票商的安全負(fù)責(zé)人被控操縱彩票開(kāi)獎(jiǎng)裝置的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，在6年時(shí)間里詐騙了1430萬(wàn)美元。這個(gè)技術(shù)黑客之所以引起懷疑，正是因?yàn)樗A了太多彩票大獎(jiǎng)。

黑客們的這些“業(yè)績(jī)”，暴露出現(xiàn)有隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的一大弊端。在這些偽隨機(jī)數(shù)事件背后都存在信任鏈。信任鏈的一部分是：你是否相信正在被使用的隨機(jī)性？理想情況是，這種信任被徹底消除，換句話說(shuō)，就是實(shí)現(xiàn)完全的隨機(jī)。簡(jiǎn)已經(jīng)發(fā)明了一種獨(dú)特的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，它是一個(gè)與計(jì)算機(jī)電路板連接的小盒子。已經(jīng)有一些虛擬主機(jī)公司、銀行和數(shù)據(jù)中心購(gòu)買了這種發(fā)生器。這種名為“信息熵引擎”的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，運(yùn)用的是一種真正的隨機(jī)性來(lái)源——光子（光線中的粒子）的混亂（隨機(jī)）碰撞。如果獲得推廣，信息熵引擎將大大增強(qiáng)互聯(lián)網(wǎng)安全。由于這種裝置有專利，簡(jiǎn)不愿透露有關(guān)它的工作原理的過(guò)多信息，因此對(duì)她發(fā)明的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器我們?nèi)孕枰Ａ粢稽c(diǎn)點(diǎn)“信任”，也就是說(shuō)它的隨機(jī)性仍不完整。說(shuō)到完全無(wú)需信任的完整隨機(jī)性，目前只有一項(xiàng)設(shè)計(jì)于半個(gè)世紀(jì)前的測(cè)試能做到。該測(cè)試的設(shè)計(jì)者證明——愛(ài)因斯坦錯(cuò)了。

挑戰(zhàn)愛(ài)因斯坦

愛(ài)因斯坦不相信宇宙基本上是隨機(jī)的，認(rèn)為光速不可超越。但量子力學(xué)認(rèn)為宇宙是隨機(jī)的，光速可以被超越。究竟孰是孰非？

在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)國(guó)立研究院（位于美國(guó)科羅拉多州博爾德）的這間實(shí)驗(yàn)室的門上貼著一張黃黑色相間的警告：“小心！局部真實(shí)違反正在進(jìn)行?！逼鋵?shí)門背后并沒(méi)有什么危險(xiǎn)，但這里進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的確危及了我們對(duì)“真實(shí)性是什么”的認(rèn)識(shí)。

從2012年開(kāi)始，摯愛(ài)搖擺舞的物理學(xué)家蕭穆（他用林迪舞來(lái)說(shuō)明量子理論的原則）及其同事一直致力于建造一部非常了不起的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。這部發(fā)生器會(huì)讓愛(ài)因斯坦感到挫敗，因?yàn)樗C實(shí)愛(ài)因斯坦嘲諷的“鬼魅般的超距力作用”（簡(jiǎn)稱超距作用）是真實(shí)的存在。

愛(ài)因斯坦從未全盤接受過(guò)量子力學(xué)。作為一種理論，量子力學(xué)描述宇宙中原子、質(zhì)子和其他所有粒子的特性。愛(ài)因斯坦因?yàn)殡S機(jī)性在量子力學(xué)中的核心作用而非常困惑。20世紀(jì)初發(fā)展出來(lái)的量子力學(xué)，完全推翻了由牛頓遺贈(zèng)給我們的有序、可預(yù)測(cè)的宇宙。按照量子力學(xué)，在被實(shí)際測(cè)量之前，粒子不具備任何特定速度、能量或位置。在被測(cè)量之前，粒子的特性只能以概率來(lái)描述。與牛頓力學(xué)的確定型規(guī)則不同，量子力學(xué)描述的是事物發(fā)生的頻率。

這并不只是說(shuō)我們不知道一個(gè)粒子的位置。量子理論暗示的是還要極端得多的東西：在我們觀察粒子之前，粒子實(shí)際上根本就沒(méi)有一個(gè)固定位置。在我們觀察粒子之前，一個(gè)粒子同時(shí)占據(jù)許多位置。在量子理論中，真實(shí)性就像輪盤賭的轉(zhuǎn)輪，只不過(guò)那只小小的白球“占據(jù)”輪子上的每個(gè)數(shù)字，只是在輪子停止旋轉(zhuǎn)而我們開(kāi)始觀察時(shí)，小白球才在一個(gè)數(shù)字上“崩潰”。愛(ài)因斯坦不相信宇宙基本上是隨機(jī)的。他的一句名言是：“上帝不摔骰子?！?/p>

更讓愛(ài)因斯坦感到不安的是量子糾纏現(xiàn)象，即一個(gè)粒子能瞬時(shí)影響另一個(gè)粒子，就好像它們被無(wú)形的線連接，哪怕是這兩個(gè)粒子位于宇宙的面對(duì)面。這種超距糾纏作用蔑視愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的基本原則（即任何物體的速度都不能超越光速）。這讓愛(ài)因斯坦確信量子力學(xué)站不住腳，由此指向一種更全面的理論。他說(shuō)，這種糾纏可以用隱藏變量（決定粒子交互、但尚未被發(fā)現(xiàn)的規(guī)則）來(lái)解釋。他感覺(jué)，未來(lái)一些理論將最終描述隱藏變量，從而證明他的推測(cè)。

對(duì)愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō)更重要的是，他所預(yù)測(cè)的隱藏變量只具有局部效應(yīng)——隱藏變量不能違反由光速?gòu)?qiáng)加的限制。如果粒子的確有隱藏變量，就意味著它們?cè)诒粶y(cè)量前必須擁有至少一些確定特性。物理學(xué)家現(xiàn)在稱愛(ài)因斯坦的這個(gè)觀點(diǎn)為“局域?qū)嵲凇?。之所以叫“局域”，是因?yàn)椴簧婕俺馑俚某嘧饔?。之所以叫“?shí)在”（真實(shí)），是因?yàn)闊o(wú)論是否被觀測(cè)到，粒子的特性都是永恒的。

重復(fù)貝爾實(shí)驗(yàn)

多次量子力學(xué)“拋硬幣”實(shí)驗(yàn)，最終證實(shí)了超距作用和真正的隨機(jī)性。那么，是怎樣證實(shí)的呢？

有關(guān)量子糾纏和隱藏變量的爭(zhēng)論幾十年來(lái)沒(méi)有解決。1964年，來(lái)自北愛(ài)爾蘭、在歐洲核研究中心（位于日內(nèi)瓦附近）工作的36歲物理學(xué)家貝爾，提議進(jìn)行一項(xiàng)能測(cè)試愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)。蕭穆認(rèn)為，貝爾實(shí)驗(yàn)很復(fù)雜，但它基本上是拋硬幣的量子力學(xué)版本：光子替代硬幣，偏振現(xiàn)象替代硬幣正面或反面。

貝爾實(shí)驗(yàn)真的很折磨人。2015年，蕭穆開(kāi)始進(jìn)行這種實(shí)驗(yàn)。這年秋季，當(dāng)他和同事開(kāi)始取得實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，他結(jié)婚了。結(jié)婚日清早，他醒來(lái)后又進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析和一系列計(jì)算。

北愛(ài)爾蘭著名科學(xué)家貝爾（192B-1990）。

在拋硬幣游戲中總有作弊的可能，比如作弊者設(shè)法讓硬幣的一面變得重些。測(cè)試硬幣是否作弊（即測(cè)試偏倚）的唯一方法是反復(fù)許多次拋硬幣。如果拋的次數(shù)很多，而硬幣沒(méi)有作假，那么硬幣正反面出現(xiàn)的次數(shù)應(yīng)該相等。貝爾的偉大見(jiàn)解是：對(duì)糾纏粒子的反復(fù)測(cè)量可能揭示自然的偏倚——如果自然允許超距作用，那么某些實(shí)驗(yàn)結(jié)果（例如相關(guān)性）就會(huì)比在愛(ài)因斯坦隱藏變量理論為真的情況下出現(xiàn)得更頻繁（重復(fù)性強(qiáng)），從而就能證明事物的確是隨機(jī)的。蕭穆認(rèn)為，量子力學(xué)是一種統(tǒng)計(jì)理論，而不是拋一次硬幣看結(jié)果。

貝爾實(shí)驗(yàn)在幾十年中進(jìn)行過(guò)許多次。但只在最近幾年來(lái)，光子探測(cè)器及其他光學(xué)設(shè)備才變得足夠敏感，從而能進(jìn)行結(jié)論確定的實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：產(chǎn)生光子的激光器、放大光子的特制水晶、用以分離光子的過(guò)濾器和透鏡、讓糾纏光子對(duì)分離而讓各個(gè)光子進(jìn)入不同探測(cè)器的光纜。

量子力學(xué)告訴我們，光子既是波又是粒子。隨著光子波迅速通過(guò)安裝在實(shí)驗(yàn)大廳墻壁和天花板上的光纜，光子波以不同模式振動(dòng)，這就是偏振。它們可以水平、垂直或傾斜地偏振。光子的不尋常在于，任何單個(gè)光子都可分解成兩個(gè)糾纏的子光子，而這兩個(gè)子光子的偏振是不同的。比如，如果一個(gè)子光子垂直偏振，另一個(gè)就必須水平偏振。

在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，兩部分開(kāi)的探測(cè)器被獨(dú)立設(shè)定程序，目的是隨機(jī)選擇怎樣測(cè)量一個(gè)到來(lái)的光子：是尋找垂直偏振（這需要一種光學(xué)偏振器）還是水平偏振（這需要另一種光學(xué)偏振器）？那么，這種尖端實(shí)驗(yàn)使用什么隨機(jī)數(shù)發(fā)生器？原來(lái)，他們把圓周率、電影、電視劇數(shù)據(jù)一起粉碎，產(chǎn)生一種很好的二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)。這部分實(shí)驗(yàn)等同于定義硬幣的正反面。很重要的是，兩部探測(cè)器相隔足夠遠(yuǎn)（大約180米）。這樣一來(lái)，兩部探測(cè)器之間有關(guān)測(cè)量選擇的任何通訊都必須超過(guò)光速。這就排除了對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行任何常規(guī)、非超距作用解釋的可能性。

站在其中一部探測(cè)器旁邊，蕭穆難以掩飾自己對(duì)這部裝置的敬畏。這種探測(cè)器是由蕭穆的上司（也是一位物理學(xué)家）設(shè)計(jì)的。蕭穆將其比喻說(shuō)，讓光子進(jìn)入探測(cè)器就好像是量子箭術(shù)。兩部探測(cè)器都位于一個(gè)發(fā)光的圓柱罐里，液氦把罐子溫度降到絕度零度之上不到1度。光纜引導(dǎo)光子進(jìn)入罐中，飛向嵌在一個(gè)芯片（寬度僅為幾十億分之一厘米）上的一根電線。經(jīng)過(guò)科學(xué)家的一系列設(shè)計(jì)，來(lái)自一個(gè)光子的熱量就足以升溫電線。當(dāng)電線升溫，會(huì)發(fā)出滴答聲。在超過(guò)9096的時(shí)間里，當(dāng)一個(gè)光子擊中一部探測(cè)器時(shí)，它都被探測(cè)到。這真是一個(gè)很了不起的成就。

如果超距作用是真實(shí)的，那么由兩部探測(cè)器進(jìn)行的偏振測(cè)量就會(huì)高度相關(guān)，比只有隱藏變量情況下的相關(guān)性高。也就是說(shuō)，一部探測(cè)器對(duì)于一個(gè)分解光子是水平還是垂直偏振的測(cè)量看來(lái)會(huì)影響另一部探測(cè)器對(duì)另一個(gè)分解光子的探測(cè)結(jié)果，反之亦然。例如，如果第一部探測(cè)器測(cè)量到的主要是水平偏振，那么另一部探測(cè)器就可能記錄到更多的垂直偏振。與拋硬幣類比，這就意味著在上萬(wàn)次拋硬幣中，幾乎每一次一個(gè)房間里的一個(gè)人得到硬幣正面，另一個(gè)房間里的一個(gè)人都得到反面，但這在實(shí)際中是極不可能的。

然而，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及最近在歐洲進(jìn)行的兩次貝爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，恰恰證明了這種“極不可能”在量子世界是真實(shí)的。大自然是偏倚的，量子“硬幣”青睞量子糾纏。經(jīng)過(guò)幾萬(wàn)次測(cè)量，蕭穆他們幾乎可以肯定量子“硬幣”是偏倚的，理由是他們發(fā)現(xiàn)的相關(guān)性比預(yù)計(jì)的還強(qiáng)，而隱藏變量理論產(chǎn)生同樣結(jié)果的概率只有十億分之一。由此，超距作用和真正的隨機(jī)性被證實(shí)，對(duì)光子的任何測(cè)量結(jié)果都不可能被提前預(yù)測(cè)。這就說(shuō)明雖然局域?qū)嵲诶碚搶?duì)于像愛(ài)因斯坦這樣的經(jīng)典物理學(xué)家來(lái)說(shuō)頗有安慰性，但它實(shí)際上是錯(cuò)的。

隨機(jī)性真實(shí)

在被測(cè)量之前數(shù)量并不存在這個(gè)事實(shí)，意味著不可能在某個(gè)時(shí)點(diǎn)之前盜竊隨機(jī)數(shù)！利用此，可能產(chǎn)生萬(wàn)無(wú)一失的隨機(jī)數(shù)。

有科學(xué)家認(rèn)為，這些最近的實(shí)驗(yàn)在已經(jīng)名存實(shí)亡的局域?qū)嵲诶碚摰墓装迳洗蛏狭酸斪?。這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果確定無(wú)疑地證實(shí)了物理學(xué)界已經(jīng)知道了幾十年的東西——量子力學(xué)是正確的，遵從局域?qū)嵲谠瓌t的經(jīng)典物理理論是錯(cuò)誤的。

說(shuō)局域?qū)嵲诶碚撌清e(cuò)的，意味著什么？貝爾實(shí)驗(yàn)證明，我們對(duì)于真實(shí)性的常規(guī)觀點(diǎn)需要修訂。像光子這樣的粒子的特性在被測(cè)量之前不僅對(duì)我們來(lái)說(shuō)是未知的，而且對(duì)于大自然來(lái)說(shuō)也是未知的：量子“輪盤球”真的是“分布于”每個(gè)數(shù)字上的。一位物理學(xué)家指出，物理學(xué)已踏足聽(tīng)起來(lái)就像是哲學(xué)家已經(jīng)辯論了成千上萬(wàn)年的問(wèn)題：真相的本質(zhì)是什么？事物是否在你測(cè)量它們之前就具有特性？對(duì)于這后一個(gè)問(wèn)題，答案是否定的。

一種隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。

除了哲學(xué)意義之外，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)密碼學(xué)的意義也很大。在你進(jìn)行測(cè)量之前數(shù)量并不存在這個(gè)事實(shí)，是隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的一個(gè)極好特點(diǎn)，因?yàn)樗馕吨硞€(gè)人不可能在某個(gè)時(shí)點(diǎn)之前盜竊隨機(jī)數(shù)，這又是由于要盜竊的隨機(jī)數(shù)甚至還不在那兒！

未來(lái)幾年里，蕭穆及其同事計(jì)劃運(yùn)用他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為由美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院批準(zhǔn)的隨機(jī)數(shù)燈塔。他們希望最終每分鐘產(chǎn)生512位隨機(jī)數(shù)串。這樣的隨機(jī)數(shù)串是萬(wàn)無(wú)一失的，因而將有廣泛用途，例如決定讓孩子上哪所學(xué)校，或確定使用什么投票機(jī)。

具有諷刺意味的是，沒(méi)有正規(guī)數(shù)學(xué)證據(jù)來(lái)保障任何數(shù)字串的隨機(jī)性。就算是數(shù)學(xué)也有自己的局限。最終，看來(lái)對(duì)信任鏈的終結(jié)在于我們對(duì)終極鏈接——量子力學(xué)的信心。

即使作為理論物理學(xué)家，貝爾依然以非常實(shí)際的眼光來(lái)看待事物。這讓他一直保持理性，讓他不會(huì)偏離到哲學(xué)領(lǐng)域。理查認(rèn)為，正是理性導(dǎo)致貝爾問(wèn)了一些非常深?yuàn)W的問(wèn)題。例如：我能不能做實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試世界上是否存在隱藏變量？世界是否按照量子力學(xué)運(yùn)作？難怪正是貝爾證明了愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論是錯(cuò)的。

無(wú)論好壞，大自然真的在“投骰子”。