量子纠缠指的是在两个、或两个以上粒子之间产生的叠加态，由于一个粒子和另一个粒子的量子态产生了叠加效应，因此，在没有外界干扰的条件下，比如：没有实验员的观察和测量的介入，无论两个粒子相隔多远，两个、或多个粒子的纠缠行为都会同时发生。爱因斯坦认为量子纠缠的“超距作用”违反了物理学的“定域性原则”，而量子物理学家通过大量的实验证实了量子纠缠行为的“非定域原则”。在经典物理和相对论的描述中，光子运动和它们的相互作用发生在“定域性”、相对于我们的观测来说是真实、低维的时空维度中，而在量子物理的描述中，光子运动和光子的相互作用发生在“非定域性”、相对于我们的观测来说是虚空、高维的时空维度中，将光子这两种背道而驰的属性联系起来，我们可以清楚地发现光子的“二律背反”行为，本作者将光子在经典物理和相对论中的定域属性和在量子物理中的非定域属性称之为“光子佯谬”。为什么光子在经典物理和相对论的“语境”、或宏观物理的尺度中有这样的表现，而在量子物理的“语境”、或微观物理的尺度中有那样的表现？难道光子是一种变化无常的“变色龙粒子”？
在经典物理和相对论的描述中，光子要么表现为一种粒子属性，要么表现为一种波动属性，不可能表现为既是粒子、又是波的双重属性，比如：当光子经过双缝实验中的两条缝隙时，只能从其中的一条缝隙穿过，不能从两条缝隙同时穿过，就像我们乘飞机从北京到广州时，可以选择北京—杭州—广州的飞行线路，或者选择北京—武汉—广州的飞行线路，我们不能同时经过两条、或两条以上的飞行线路，当我们从北京飞到广州时，尽管由于我们睡着了，不能说出经过了那一条线路，但是，我们不会同时飞过了北京—杭州—广州和北京—武汉—广州的两条线路。而在量子物理的描述中，光子既表现为粒子性，又表现为波动性，比如：当光子经过双缝实验中的两条缝隙时，能够从两条缝隙同时穿过，就像我们乘飞机从北京到广州时，这架“隐形、幽灵”的飞机同时飞过了两条线路一样，它既飞跃了大江大河的武汉，又飞跃了湖光山色的杭州。如果经典物理和相对论的描述是正确的，那么光子只能表现单一的属性，选择单一的路径；如果量子物理的描述是正确的，那么光子能够表现双重的属性，在同一时刻即在这条线路上，又在那条线路上。经典物理和相对论不允许光子有“分身术”和“筋斗云”的本领，而量子物理允许光子有违反常识和经典逻辑的奇异性，两种难以调和的物理理论导致了“光子佯谬”的产生。
光子纠缠指的是在两个、或两个以上的光子之间产生的叠加态，由于一个光子和另一个光子的量子态能够产生相互叠加的效应，因此，可以利用光子纠缠来进行量子隐形态传送和量子计算，建立“量子信息学”。光学是一门最古老的物理学科，经典物理学论述了光的折射、反射、光的干涉、衍射，我们很难用一种绝对的标准将经典光学和量子光学区分开来，如果认为对光的粒子性研究更多地指向了经典光学，那么可以认为对光的波动性研究则更多地指向了量子光学。在量子力学诞生之前的十九世纪末，科学家对光的粒子性和波动性的量子属性获得了十分充分的认知，托马斯·杨在光的双缝实验中发现了光的干涉性，夫朗和费在光的圆孔实验中发现了光的衍射性，光的干涉和衍射证明了光的波动性，而对光的波动性解释已经触及到量子光学。量子物理学与经典的光学、电子学、电磁学、热学所具有的完备性和不完备性有关，当经典物理能够描述光子的行为时，它是完备的；当经典物理不能彻底描述光子的行为时，它则是不完备的。我们不能将量子力学诞生在二十世纪的初期看成是偶然的事件，理解成为几位物理学大师“纯粹理性思维”的产物，不仅光的干涉和衍射行为超出了经典光学的解释，而且光的“黑体辐射”现象也脱离了经典热学的解读。
1905年，爱因斯坦发现了光电效应方程，验证了光的粒子性一面。1927年，美国的戴维森和英国的汤姆生分别做出了电子衍射实验，证实了光的波动性一面。爱因斯坦由于光电效应方程的发现获得了1921年的诺贝尔物理学奖，而戴维森和汤姆生由于电子衍射的实验分享了1937年的诺贝尔物理学奖。量子力学建立在量子的粒子性和波动性、或者“波粒二象性”的基础上，物理学家用数学语言描述了量子的二重属性：当我们考虑一个瞬间的时间点时，光子以粒子的形式运动；当我们考虑一个连续的时间段时，光子以波动的形式传播。量子力学解决了经典物理类型的“光子佯谬”难题，或者摆脱了光的粒子性和波动性不相融、不兼容的困境。1926年，奥地利物理学家薛定谔发现了量子态描述的薛定谔方程，这一方程是量子力学中描述微观粒子运动状态的基本定律，它在量子力学的地位大致上相似于牛顿运动定律在经典力学的地位，这一方程表明了自然界的所有粒子：光子、电子、原子都能用一个微分方程来描述它们的量子态，这一方程指向的波函数具有叠加的属性，将光的粒子性和波动性融合在一个统一的框架中，粒子性通过出现在特定位置的几率来表现，波动性则通过干涉和衍射来展示。
广义相对论和量子力学在各自的范围内描述了光子的属性，或者光子运动既适合广义相对论，又适合量子力学的描述，但是，广义相对论与量子力学不相容、不兼容，这必然导致“光子佯谬”的产生。在广义相对论的描述中不允许光子存在“两种身份”，不允许光子在引力场的运动轨迹既沿着“北京—杭州—广州”的路径发生偏转，同时又沿着“北京—武汉—广州”的路径发生偏折，不允许出现多个偏转角度，而在量子力学的描述中允许光子存在“重叠身份”，允许光子在诸如双缝实验和衍射实验中行走在两条线路，它们会同时穿过A缝和B缝。为什么光子在引力场的“大环境”中只能选择一条路径，只能产生一个“爱因斯坦环”，而在双缝实验和衍射实验的“小环境”中却能够选择两条、或多条路径，能够产生多个明暗相间的条纹？这涉及到了“光子佯谬”问题，在科学家的内心意识中早已存在这一悖论，本作者第一次用“光子佯谬”的术语将这种悖论表式出来，根据科学哲学解释学的“等效原理”，除了“光子佯谬”以外，还存在“电子佯谬”、“质子、中子佯谬”、“原子佯谬”等等。也许就像量子力学统一了量子的粒子性和波动性的解释一样，我们可以探索一种新的理论，将广义相对论和量子力学的解释统一起来，在“大统一”或“同一场”的理论中，光子的运动处于广义相对论和量子力学的“叠加态”，在广义相对论定义的条件中符合广义相对论的解释，而在量子力学定义的条件中符合量子力学的解读。
本作者在“光子佯谬”的艰难思考中触及到了广义相对论和量子力学之间“理论纠缠”的可能，既然量子的粒子性和波动性存在“风牛马不相及”的冲突，而这两种冲突的属性都能统一在量子力学“波粒二象性”的解释中，那么广义相对论和量子力学之间“水火不容”的冲突可能整合在“大统一理论”的解释中，也许在这两种统一的理论之间存在形式上的一致性，符合“等效原理”的哲学解释。本作者发现：在经典物理和相对论之间存在不相融、不兼容的属性，而在相对论和量子力学之间同样存在不相融、不兼容的属性，两种类型的不相融、不兼容符合“等效原理”的哲学解释。爱因斯坦对物理学的最大贡献是找到了经典物理和相对论的统一解释，但是，爱因斯坦没有找到相对论和量子力学的统一解释。量子纠缠的同时性、超光速违背了广义相对论的原理，光子的属性在广义相对论的宏观时空和在量子力学的微观时空中发生了变化，这种突变性就是“光子佯谬”的本质含义，本作者解释不了光子属性的突变，只能猜测光子在广义相对论的“语境”和在量子力学的“语境”中表现的属性能够产生“相互纠缠”，因此，光子具有“波函数”的整体特性，它的“波函数”指向某种“语境”时就表现出某种“语境”的属性，本作者想用“广量二象性”、或“量广二象性”来定义光子“波函数”的整体特性，但是，这种想法太不可思议，就把“广量二象性”、“广量二重性”，或者“量广二象性”、“量广二重性”的概念和理论推测交给未来的物理学家和哲学家，就像阿里巴巴的“未来学家”马云坚信人类的未来会更美好一样，我们相信未来的物理学家和哲学家能够发现其中的答案。
2017-7-2
( The photon paradox : From the wave--particle duality to General theory of relativity--Quantum mechanics duality, Or From the wave--particle duality to relativity--Quantum duality )
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