你不知道的量子纠缠
事物并不会无缘无故地出现或者消失,客体永久性的概念在我们的认知当中已经根深蒂固。这种认为在我们不看它时宇宙依然存在的思想,是所有物理学中一个最基本的隐含假设。多数
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事物并不会无缘无故地出现或者消失,客体永久性的概念在我们的认知当中已经根深蒂固。这种认为在我们不看它时宇宙依然存在的思想,是所有物理学中一个最基本的隐含假设。多数的物理学家认为,不管我们是否在观察宇宙,宇宙始终真实存在。认为宇宙独立于观测者意识而存在的观念,在物理学中叫做实在论。

量子力学是如此的怪异,以至于仍然有科学家在犹豫是否应该摒弃宇宙实在论这一最基本的前提。这也是量子力学发端时最激烈辩论之一的来源。尼尔斯·玻尔坚持认为,不加观测而赋予宇宙以现实是没有意义的。当不测量时,量子系统只存在为一个所有可能属性的模糊混合,我们称之为叠加态。诠释这一叠加态的波函数是对现实的完整描述。我们熟知的确定的物质宇宙,只在观测的时候有意义。这种时有时无的宇宙时玻尔哥本哈根诠释的核心。

另一边,阿尔伯特·爱因斯坦坚持认为现实是客观的,现实独立于我们对其的观测之外。爱因斯坦坚称波函数乃至量子力学只是不完整,必然存在着所谓的隐变量,来反映更加物质实在的底层现实。

于是为了说明玻尔想法的愚蠢,爱因斯坦以及鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森提出了一种量子情境。其中显示,如果要摒弃实在论假设,则必须要摒弃另一个近乎神圣的观念——定域性。

定域性认为宇宙中的每一点都只能与其相邻位置的点发生作用,这是爱因斯坦相对论的基础。它说明了因果链的传播速度不会超过光速。爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论,简称EPR悖论。其引入了量子力学中最神秘的想法之一,量子纠缠。

两个粒子短暂作用之后,它们相互影响彼此,使得它们的各属性以某种方式相联系。我们不测量这些粒子就能一直保持其不确定性。量子力学要求我们用单一的组合波函数来描述整个粒子对,这个波函数包含了每个粒子的所有可能状态。这样的两个粒子称为纠缠对。比如从一个光子中诞生的纠缠电子对,由于角动量的守恒,这两个电子的自旋方向总是相反,测量其中一个便可知道另一个,无论它们距离有多远。

根据哥本哈根诠释,对某个粒子的任何测量都会自动使整个纠缠波函数坍缩,进而影响另一个粒子的测量结果。这是一种理论上可以在任何距离间瞬时传递的影响,甚至逆时传递,违背定域性,甚至有可能违背了因果律。

约翰·斯图尔特·贝尔为了证明爱因斯坦是正确的,提出了贝尔不等式,即为了说明量子力学是需要定域隐变量的。不过如果一个纠缠实验违背了贝尔不等式,那么定域实在论也被违背。

80年代早期,法国物理学家阿兰·阿斯佩成功地进行了量子纠缠实验。他使用的是偏振纠缠的光子对,偏振是指光子电磁场的指向。阿兰·阿斯佩发现,对一个光子选择的偏振测量方向,与其纠缠对象最终测得的偏振方向间存在着关联。

贝尔不等式被违背了。阿兰·阿斯佩的实验甚至经过涉及,使得纠缠光子间的影响只能以超光速传播。在这之后,众多的实验在不断增大的尺度上验证了这一结果。我们甚至已经在数公里的尺度上观察到了这种瞬时影响,这说明波函数不可能存在定域隐变量。

这些纠缠实验的结果似乎是违背了定域实在论,但也可能是仅违背了定域性或实在性其中之一。贝尔博士自己认为,违背了他的不等式,否定的只是定域性,实在性可以被保留。实际上,非定域性与相对论是可以同时存在的。相对论要求信息不能超光速传播,而所有这些纠缠实验中都没有真正允许信息在粒子间传输。只有在测量后,且测量结果相互比较,才能看到纠缠粒子间的影响。

只要摒弃定域性,实在论及隐变量诠释也会是合理的。比如纠缠的粒子可能有爱因斯坦-罗森桥——虫洞相连,虫洞允许远距离的瞬时作用。另外,德布罗意-玻姆导航波理论也是在实在性与非定域隐变量下成立的。甚至还有实在性与定域性都不牺牲的方法,那就是多世界诠释。我们会在后期的内容中看到它们。

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