深入探讨量子纠缠现象

后期致力于“统一场论”的爱因斯坦对“充满不确定性”的量子力学有所不满，因此爱因斯坦也开始质疑他本人曾经推动过的量子力学。在第五次和第六次索尔维会议中，爱因斯坦分别提出两个思想实验，试图凸显不确定性原理为何不成立。假设制备一对属于量子力学中的“纠缠态”的粒子A和粒子B（“EPR对”），都处于一半概率左旋、一半概率右旋的量子叠加状态，并且两者的旋转方向始终相反；但在用仪器测量之前并不知道某个时刻哪个是左旋，哪个是右旋。粒子A和粒子B在空间上拉开很远的距离后，测量粒子A，这时粒子B是不可能知道粒子A发生了变化因而发生相应变化的。

而玻尔的一个推论（量子纠缠）认为，对粒子A进行测量，粒子A会立刻由量子叠加态坍缩为确定态，表现出左旋或右旋状态的一种；而此时，距此很远的B粒子也会立刻坍缩成确定态。尽管两个粒子距离很远，但它们状态的改变是完全同时的，即使是光速也达不到这么快。

专栏9-1

几个帮助理解“量子纠缠”的故事

故事一：张辽还是司马懿

三国时期，曹操令司马懿、张辽挂帅兵分两路于汉中和荆州伐蜀，诸葛亮出汉中，刘备出荆州拒敌，诸葛亮到达汉中，远远见敌方大将乃是张辽，心中暗道不好，主公怎么遇上了司马懿？诸葛亮为什么见到了张辽就知道刘备遇到的是司马懿？因为出兵的只有张辽和司马懿，如果诸葛亮遇到了司马懿，刘备就会遇到张辽，如果诸葛亮遇到了张辽，刘备就会遇到司马懿。这就是诸葛亮和刘备虽然远隔千里，却能第一时间知道刘备遇到的是谁。

故事二：鱼缸里的鱼

在一个长方体玻璃鱼缸中放入一条鱼，两台相互垂直的摄像机“观察”鱼的活动，图像直接在两台电视机上播放出来。在电视机里我们可以看到，“两”条鱼分别做着方向相反、速度相同的游动。如果其中一条鱼的状态改变了，另一条鱼的状态也立即随之改变。

故事三：薛定谔的猫(www.xing528.com)

“薛定谔的猫”是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的理想实验的名字，整个实验是这样进行的：在一个盒子里有一只猫，以及少量放射性物质。在一小时内，大约有50％的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气，杀死这只猫；剩下50％的概率是放射性物质不会衰变，而猫将活下来。根据经典物理学，在盒子里必将发生这两个结果之一，而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。但在量子力学的怪异世界里，猫到底是死是活都必须在盒子打开后，外部观测者“测量”具体情形才能知晓。当盒子处于关闭状态，整个系统则一直保持不确定性的状态，盒中之猫处于“死—活叠加态”——猫既是死的也是活的。

资料来源：根据相关资料整理

爱因斯坦认为信息传递的速度不可能超过光速，因为这违反了相对论。1935年，为论证量子力学的不完备性，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出了EPR悖论（Einstein-Podolsky-Rosen paradox）。爱因斯坦指出“量子纠缠”是量子力学的致命弱点，这种“鬼魅般的超距作用”（spooky action at a distance）太荒诞了。薛定也认为“量子力学与相对论不相符合”，为了进一步验证量子力学的不完备性，他将量子力学应用到宏观效应中，从而构思了著名的“薛定谔猫思想实验”。1953年，英国物理学家玻姆同样认为以玻尔为首的哥本哈根学派的诠释是不完备的，需要附加的参量来描述并提出隐变量理论。1965年，北爱尔兰物理学家贝尔在此基础上提出贝尔不等式[1]，为隐变量理论提供了实验验证方法。

从20世纪70年代至今，对贝尔不等式的验证给出的大多数结果是否定的。例如，2015年荷兰科学家Hanson（汉森）团队的实验也表明，观测一对处于纠缠态的电子时，每当其中一个电子被观测为上旋时，另一个电子都被观测到为下旋；反之亦然。量子力学的正确性得到了一次次的验证。

即便实验对贝尔不等式结论的一次次否定，是不是就证明了爱因斯坦“量子力学的不完备性”观点是错误的呢？这仍然值得商榷。量子力学的关键思想是，对任何一个物理量P的本征态测量P，粒子的状态不变，测得的是这个本征态的本征值；而对物理量P的非本征态s测量P，会使粒子的状态突然改变。在量子力学中，测量的本质仍是个未解之谜。无论在理论上还是实践上，关于“量子纠缠”还没有达成一个共识，可以说支持派和反对派一直在“纠缠”着。

现在大多数科学家站在量子力学这一边，一方面是因为实验与理论很契合（经典力学却不能）；另一方面是因为新一代的科学家接受的都是量子力学教育。普朗克曾经说过，“新的科学真理并不是由于说服它的对手取得胜利的，而是由于它的对手死光了，新的一代熟悉它的人成长起来了”。

[1] 1965年，贝尔提出了一个强有力的数学不等式。该定理在定域实在性的假设下，对于两个分隔的粒子同时被测量时其结果的可能关联程度建立了一个严格的限制。这一不等式，可以用实际实验测量来对比定域实在论与标准量子物理的不同预测。人们可以设计实验，测量贝尔不等式中某些要求的参数。如果测量结果符合贝尔不等式，那么就证明定域实在论是正确的，量子物理理论不完备，微观世界中的量子行为有某些我们尚且不知道的隐变量；如果测量结果不符合贝尔不等式，则量子物理理论是完备的，不能简单地用隐变量的理论来解释量子现象，定域实在论是不正确的。