量子糾纏態

2021-02-08 算法與數學之美


然而,愛因斯坦畢竟是個偉人,不是那麼容易服輸的。況且,那是上帝給他的使命:為 物理學指路!無論是開創還是質疑,無論是披荊斬棘地朝前帶領大軍,還是回頭轉身,來一 場唇槍舌戰,其結果都是順應天意:使物理這條猛獸不停地衝出困境,向前邁進。儘管他當 時因戰爭而流離失所,儘管他的妻子身染重病,到了知天命年齡的愛因斯坦,始終未忘記他 的這個神聖的『天命』。 


筆者的老師和論文委員會成員之一的約翰·惠勒(John Archibald Wheeler),曾經在 一次聚會上,對筆者說過一段愛因斯坦的故事:1948 年,普林斯頓的費曼在惠勒的指導下, 完成了他的博士論文,他以惠勒早期的一個想法為基礎,開創了用路徑積分來表述量子力 學的方法。當年,惠勒曾經將費曼的論文交給愛因斯坦看,並對愛因斯坦說:「這個工作不 錯,對吧?」又問愛因斯坦:「現在,你該相信量子論的正確性了吧!」愛因斯坦沉思了好一 會兒,臉色有些灰暗,怏怏不快地說:「也許我有些什麼地方弄錯了。不過,我仍舊不相信 老頭子(上帝)會擲骰子!」 


再回到波愛第 3 次論戰:當年的愛因斯坦,初來乍到普林斯頓,語言尚且生疏,生活 不甚順暢,因此,他不堪孤身獨戰,找了兩個合作者,構成了一個被物理學家們稱為不是十 分恰當的組合。 


Boris Podolsky 和 Nathan Rosen 是愛因斯坦在普林斯頓高等研究院的助手。1935 年 3 月,Physics Review 雜誌上發表了他們和愛因斯坦署名的 EPR 論文。文章中描述了一個佯 謬,之後,人們就以署名的三位物理學家名字的第一個字母命名,稱為「EPR 佯謬」。


 EPR 原文中使用粒子的坐標和動量來描述愛因斯坦構想的理想實驗,數學表述非常復 雜。後來,波姆用電子自旋來描述 EPR 佯謬,就簡潔易懂多了。EPR 論文中涉及到「量 子糾纏態」的概念。這個名詞當時還尚未被愛因斯坦等 3 位作者採用。(「糾纏」的名字是 薛丁格在 EPR 論文之後不久,得意洋洋地牽出他那只可怖的貓時候,第一次提到的。)因 此,我們首先解釋一下,何謂糾纏態? 


讀者應該還記得我們解釋過的「量子疊加態」。疊加態這個概念一直貫穿在我們這系列 文章中,從薛丁格的貓,到雙縫實驗中有分身術的孫悟空,不都是這個匪夷所思的「疊加 態」在作怪嗎?不過,此文之前對疊加態的解釋,都是針對一個粒子而言的。如果把疊加態 的概念用於兩個以上粒子的系統,就更產生出來一些怪之又怪的現象,那些古怪行為的專 利,就該歸功於「量子糾纏態」。


 比如,我們考慮一個兩粒子的量子系統。也就是說,有兩個會分身的孫悟空同居一室, 會有些什麼樣的狀況發生呢?所有的狀況不外乎歸於兩大類,一類是:兩對孫悟空互不搭 架,自己只和自己的分身玩。這種情況下的系統,可看作是由兩個獨立的粒子組成,沒有產 生什麼有意思的新東西。


 另一類情況呢,也就是兩對孫悟空互相有關係的情況了。我們借用「糾纏」這個詞來描 述它們之間的互相關聯。也就是說,這種情形下,兩對量子孫悟空『互相糾纏』,難捨難分。 有趣的是,將來竟然有人出來證明說,這量子孫悟空之間親密無間的程度,不是我等常人所 能理解的,可以超過我們這個『經典』人間所能達到的任何境界,任何極限哦。於是,我們 18 只好嘆息一聲說:啊,這就是『量子糾纏態』。 


愛因斯坦等三人提出的假想實驗中,描述了兩個粒子的互相糾纏:想像一個不穩定的大 粒子衰變成兩個小粒子的情況,兩個小粒子向相反的兩個方向飛開去。假設該粒子有兩種可 能的自旋,分別叫「左」和「右」,那麼,如果粒子 A 的自旋為「左」,粒子 B 的自旋便一 定是「右」,以保持總體守恆,反之亦然。我們說,這兩個粒子構成了量子糾纏態。 


用我們有關孫悟空的比喻將愛因斯坦的意思重複一遍:大石頭中蹦出了兩個孫悟空。每 個孫悟空都握著一根金箍棒。這金箍棒有一種沿著軸線旋轉的功能:或者左旋,或者右旋。 兩個孫悟空的金箍棒旋轉方向互相關聯:如果孫 A 的金箍棒為「左」旋,孫 B 的金箍棒便 一定是「右」旋,反之亦然。我們便說,這兩個孫悟空互相糾纏。


大石頭裂開了,兩個互相糾纏的孫悟空(A 和 B)並不願意同處一室,而是朝相反方向 拼命跑,它們相距越來越遠,越來越遠……。根據守恆定律,它們應該永遠是「左右」關聯 的。然後,如來佛和觀音菩薩同時分別在天庭的兩頭,抓住了 A 和 B。根據量子論,只要 我們不去探測,每個孫悟空的金箍棒旋轉方向都是不確定的,處在一種左/右可能性疊加的 混合狀態(比如,各 50%)。但是,兩個孫悟空被抓住時,A、B 金箍棒的疊加態便在一瞬 間坍縮了,比如說,孫悟空 A 立刻隨機地作出決定,讓其金箍棒選擇「左」旋。但是,因 為守恆,孫悟空 B 就肯定要決定它的金箍棒為「右」旋。問題是,在被抓住時,孫悟空 A 和孫悟空 B 之間已經相隔非常遙遠,比如說幾萬光年吧,它們怎麼能夠做到及時地互相通 信,使得 B 能夠知道 A 在那一霎那的隨機決定呢?除非有超距瞬時的信號(心靈感應)來 回於兩個孫悟空之間!而這超距作用又是現有的物理知識不容許的。於是,這就構成了佯 謬。因此,EPR 的作者們洋洋得意地得出結論:波爾等人對量子論的機率解釋是站不住腳的。


 此一時彼一時!這時的波爾,已經知己知彼、老謀深算。他深思熟慮地考慮了一陣之 後,馬上上陣應戰。很快就明白了,愛因斯坦的思路完全是經典的,總是認為有一個離開觀 測手段而存在的實在世界。這個世界圖像是和波爾代表的哥本哈根派的「觀測手段影響結 果」的觀點完全不一致的。玻爾認為,微觀的實在世界,只有和觀測手段連起來講才有意 義。在觀測之前,並不存在兩個客觀獨立的孫悟空實在。只有波函數描述的一個互相關聯的 整體,並無相隔甚遠的兩個分體,既然只是協調相關的一體,它們之間無需傳遞什麼信號! 因此,EPR 佯謬只不過是表明了兩派哲學觀的差別:愛因斯坦的「經典局域實在觀」和波 爾一派的「量子非局域實在觀」的根本區別。 


當然,哲學觀的不同是根深蒂固難以改變的。愛因斯坦絕對接受不了玻爾的這種古怪的 說法,即使在之後的二三十年中,玻爾的理論佔了上風,量子論如日中天,它的各個分支高 速發展,給人類社會帶來了偉大的技術革命。愛因斯坦仍然固執地堅持他的經典信念,站在 反對量子論的那邊。


 剛才談到的約翰·惠勒,曾經與波爾及愛因斯坦在一起工作過,被人稱為「哥本哈根學 派的最後一位大師」,直到 2008 年去世,惠勒 90 多歲的高齡還在繼續思考量子力學中的哲 學問題。記得惠勒曾引用玻爾的話說,「任何一種基本量子現象只在其被記錄之後才是一種 19 現象」。意思就是說,比如我們上面說到的兩個互相糾纏的孫悟空,在被抓住之前,它們到 底在哪裡?離多遠?是個什麼模樣?有沒有金箍棒?金箍棒是左旋還是右旋?哥本哈根派認 為,這些全都是些無意義的、不該問的問題。還沒有被如來佛和觀音抓住之前,沒有什麼所 謂的「兩個孫悟空」,它們並不是真實存在的東西! 


惠勒對量子論的貢獻是非同一般的。上世紀 80 年代初期,筆者有幸與惠勒博士在一 起工作,並準備和翻譯當時他去中國訪問的講稿,那篇講稿是基於他的一篇論文:「Law without Law」,後來,此講稿由科大的方勵之編著,1982 年出版,取名為《物理學和質樸 性 -沒有定律的定律》。在講稿中,惠勒提到他在 1979 年,為紀念愛因斯坦誕辰 100 周年的 普林斯頓討論會上,提出的所謂「延遲選擇實驗」(delayed choice experiment)。這個「延 遲選擇實驗」,是我們討論過的「電子雙縫幹涉」實驗的一個令人吃驚的新版本。在新構想 中,惠勒戲劇化地將實驗稍加改變,便可以使得實驗員能在電子已經通過雙縫之後,作出 「延遲決定」,從而改變電子通過雙縫時的歷史!這種十分怪異的,好像能從將來觸摸到過 去的說法,量子論的哥本哈根派又如何解釋呢?這個實驗徹底地挑戰了經典物理的因果律。


惠勒曾經用一個龍圖來說明這一點。這個龍圖也可以用費曼的路徑積分觀點來理解:龍 的頭和尾巴對應於測量時的兩個點,在這兩點測量的數值是確定的。根據量子力學的路徑積 分解釋,兩點之間的關聯可以用它們之間的所有路徑貢獻的總和來計算。因為要考慮所有的 路徑,因此,龍的身體就將是糊裡糊塗的一片(如下圖所示)。 


惠勒的龍:Field Gilbert 畫,掃描自 Niels Bohr: A Centenary Volume(Harvard 1985), p151. 


惠勒提出「延遲選擇實驗」時,已經到了 1979 年。早在 1964 年,出於捍衛愛因斯坦 EPR 論文的初衷,另一位傑出的英國物理學家,約翰 • 斯圖爾特 • 貝爾(John Stewart Bell),就已經帶著他的「貝爾不等式」,瀟灑登場了。

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