上帝投擲的骰子——愛因斯坦的幽靈超距作用

2020-12-15 天文在線

光電效應理論讓阿爾伯特·愛因斯坦在量子力學領域奠定了他的重要地位，然而該理論背後所蘊含的哲學深意卻深深地困擾著愛因斯坦。

眾所周知，愛因斯坦以推導出質能方程E＝mc^2聞名於世。然而事實上他對物理學的最後巨獻是與同事鮑裡斯·波多爾斯基和納森·羅森一起合著的發表於1935年的論文--愛因斯坦－波多爾斯基－羅森悖論（簡稱：EPR悖論）。這篇闡述EPR悖論的論文描述了一個奇怪的現象--「糾纏態」，從而成為了現在重新理解量子物理學的核心。

《紐約時報》關於EPR 悖論的封面新聞報導

（E、P、R這三個英文字母分別是愛因斯坦、波多爾斯基和羅森英文的第一個字母）

從左到右：愛因斯坦、波多爾斯基和羅森

直到上世紀80年代，EPR悖論仍被當作一個奇怪的哲學腳註。該論文以探索產生成對粒子的源作為開端：粒子包含兩個可測量屬性，且每個屬性的測量都存在兩種可能的結果，並且兩種結果出現的概率是相等的。

讓我們假設第一個屬性的測量結果為「狀態0」或「狀態1」，第二個屬性的測量結果為「狀態A」或「狀態B」。當我們已經測量過粒子的某一屬性後，則不管再測量多少次，粒子的此屬性都會得出同樣的結果。這種現象的奇特之處在於，它不僅表明了一個單粒子的狀態在被測量之前是不確定的，同時也表明了測量本身在決定著粒子的狀態，且測量之間也是互相影響的。如果你測量一個粒子的第一屬性，其測量結果為「狀態1」，然後接著測量這個粒子的第二屬性，此時你有50%的機率各得到「狀態A」或者「狀態B」。此後，當你再次重新測量第一屬性--即使它已經被測量過一次並得到了結果「狀態1」--我們仍有50%的機率得到「狀態0」。由此得出，輪流測量一個粒子的不同屬性會重置原始屬性，並會重新得出一個全新隨機的結果。

如果你同時觀察一對粒子，結果會變得更加奇特。兩個粒子都會得到隨機的測量結果。但是如果你把它們放在一起比較，你會發現它們總是完美地彼此相關。比如兩個粒子的測量結果都是「狀態0」，那它們就會一直維持這種關聯狀態。據此，我們可以通過測試其中一個粒子屬性，就能準確無誤地得出另一個粒子的屬性。

物理學家首次拍攝了量子糾纏的照片。

（圖片源於：格拉斯哥大學）

看起來，量子糾纏似乎違背了愛因斯坦提出的相對論，因為兩個粒子之間的距離是沒有限制的。假設某天中午，你在紐約測量一個粒子屬性，一納秒之後在舊金山測試另一個粒子，你會得出兩個粒子的屬性測量結果是完全一致的。假設測量這一行為決定了粒子的測量結果，那麼當第一個粒子被測量時，就需要以光速的一千三百萬倍的速度向第二個粒子傳遞相關信息，而相對論認為這是不可能實現的。基於這個理由，愛因斯坦駁斥這一現象為「幽靈般超距作用」。

他認為，這一定是因為量子力學本身還不夠不完善，兩個粒子一定有我們所不知道的先決狀態，而目前的量子力學太過膚淺，從而不足以揭露與解釋這一事實。以尼爾斯·玻爾為首的正統量子理論支持者們堅稱量子狀態從根本上來說是不可確定的--不管兩個粒子相隔多遠，量子糾纏決定了一個粒子的狀態會被另一個粒子狀態所影響。

約翰·斯圖爾特·貝爾（圖片源於：1973年CERN報告）

之後的30年，物理學一直處於僵局狀態，直至1964年約翰·貝爾指出：要解決EPR爭論，則應當觀測對兩個粒子的不同屬性的測量。愛因斯坦、波爾多斯基和羅森的「定域性隱變量理論」嚴格地限定了得到結果為「1A」或者「B0」的機率，因為結果是可以被提前定義的。基於粒子的狀態在測量前是完全不可確定的理論，貝爾演繹了有著不同限制的純粹量子方法，並以此預測了混合的測量結果，而這些結果在粒子狀態可預定的情況下是不可能存在的。

繼貝爾得出檢驗EPR理論的方法後，物理學家們據此展開了實驗。從70年代的約翰·克勞澤和80年代早期的阿蘭·阿斯佩開始，大量實驗檢驗了EPR預測，並得出了同樣的結論：量子力學是正確的。互相糾纏的兩個粒子之間的「不確定狀態的相關性」是真實存在的，而且無法被任何更深層次的變量所解釋。

阿蘭·阿斯佩克特在1981年發表的實驗論文（圖片源於：PRL）

記錄了違反貝爾不等式的四幅全幀圖像：4個獨立的量子糾纏圖像，對應於 θ2 = {0° ， 45° ， 90° ， 135° }的四個方向

（圖像源於：雜誌2019年7月3日《科學進展》第5卷第7期DOI: 10.1126/sciadv.aaw2563.）

EPR論文被證明是錯的！但這是一個偉大的錯誤，因為其引導了物理學家們更深入地去思考量子物理的基礎。這篇論文使得量子理論得到了進一步的闡述和完善，也推動了對量子信息學等相關課題的研究。這是一個新興的具有可以創造出「超級電腦」潛力的領域。不幸的是，測量結果的隨機性讓科幻小說裡的場景無法成為現實，比如利用糾纏粒子超光速傳遞信息。

就現在而言，相對論是安全的，但是量子宇宙的奇特之處遠遠超出了愛因斯坦的想像！

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. 英子- Jinyuan Liu- Qingqing Mao

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