量子糾纏及其“超距作用”

宋正懷

摘要：量子糾纏作為物理學(xué)尚未被科學(xué)屆解釋的現(xiàn)象，本篇著重闡述量子物理的兩大對(duì)立的觀(guān)點(diǎn)，一種是以愛(ài)因斯坦為代表的認(rèn)為量子的特性，必須滿(mǎn)足一切物理世界的定域性和實(shí)證性原則，量子糾纏也是由于有隱變量的作用;另外一種觀(guān)點(diǎn)以玻爾為代表的觀(guān)點(diǎn)，認(rèn)為量子世界的隨機(jī)性和超距作用是世界的本來(lái)面目。介紹現(xiàn)代物理檢驗(yàn)這兩種觀(guān)點(diǎn)的原則性數(shù)學(xué)限制條件：貝爾不等式，展望對(duì)量子糾纏等物理學(xué)現(xiàn)象的客觀(guān)機(jī)理的期待。

關(guān)鍵詞：量子糾纏 定域性 實(shí)在性?貝爾不等式 隱變量 超距作用

1927年10月，20世紀(jì)著名的一次大咖云集的第五屆索爾維會(huì)議在布魯塞爾召開(kāi)，此次會(huì)議的主題為電子和光子。圖1是當(dāng)時(shí)的索爾維研究所大樓，就在這個(gè)大樓的側(cè)面，這張被引用了無(wú)數(shù)次的照片，聚集了當(dāng)時(shí)世界上最重要的物理學(xué)家，參加這次會(huì)議的29人中，有17人先后獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

這次會(huì)議，是為了討論在當(dāng)時(shí)還未被大眾認(rèn)識(shí)和接受的新型理論，也就是描述原子等基本粒子和微觀(guān)世界的量子力學(xué)理論。在會(huì)議上，因修正了牛頓力學(xué)發(fā)表了相對(duì)論而備受推崇的愛(ài)因斯坦和量子力學(xué)的奠基人之的尼爾斯·玻爾發(fā)生了激烈的爭(zhēng)論。前者以上帝不會(huì)擲骰子的觀(guān)點(diǎn)，來(lái)反對(duì)海森堡提出的不確定性原理;而玻爾也反駁愛(ài)因斯坦說(shuō)不要告訴上帝該怎么做，這一著名的爭(zhēng)論被后世稱(chēng)為愛(ài)因斯坦—玻爾論戰(zhàn)。這一場(chǎng)激烈的世紀(jì)論戰(zhàn)卻使得愛(ài)因斯坦終其一生都對(duì)量子理論無(wú)法全盤(pán)接受，然而，恰恰就是因?yàn)檎J(rèn)為這套理論始終存在瑕疵的反對(duì)者卻對(duì)這套理論做出了非常突出的貢獻(xiàn)！他將一個(gè)之前根本未被發(fā)現(xiàn)的概念-量子糾纏，陰差陽(yáng)錯(cuò)的引出，并且這個(gè)被他稱(chēng)為鬼魅般的超距現(xiàn)象，在余生一直困擾著他。

會(huì)議中提出的量子力學(xué)理論非常怪異，粒子（也就是組合成我們這個(gè)世界萬(wàn)物的基本單元）在量子力學(xué)描述的微觀(guān)世界中以概率存在，在不進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，它是一種模糊的不確定性狀態(tài)，這種說(shuō)法根本就是無(wú)法接受，所以愛(ài)因斯坦想嘗試找出不完美的地方，來(lái)駁斥這一理論的嚴(yán)重缺陷，并且在1935年聯(lián)合了羅森和波多爾斯基提出了著名的EPR佯謬來(lái)質(zhì)疑量子力學(xué)的理論，論證了在量子力學(xué)理論中的一個(gè)漏洞，就是粒子一種不可能的聯(lián)系，兩個(gè)粒子之間，不論相隔多遠(yuǎn)，比如一個(gè)在上海，一個(gè)在紐約，當(dāng)然也可以更遠(yuǎn)，甚至可以遠(yuǎn)到宇宙的兩端也不影響其結(jié)果，根據(jù)量子力學(xué)的公式，假如測(cè)量上海的這個(gè)粒子是從不確定的模糊狀態(tài)改變成確定狀態(tài)時(shí)，會(huì)瞬時(shí)影響到紐約的另外一個(gè)粒子。在愛(ài)因斯坦看來(lái)是完全不可思議的，因?yàn)樗J(rèn)為在某一個(gè)地點(diǎn)發(fā)生了某件事，不可能即時(shí)瞬間影響或者說(shuō)改變另一個(gè)地點(diǎn)正在發(fā)生的事情，這違反他所堅(jiān)持的定域性原理，因?yàn)檫@是愛(ài)因斯坦認(rèn)為的基本常識(shí)，世界不可能按照量子力學(xué)方程描述的那種瞬時(shí)影響來(lái)作用，定域性原理認(rèn)為，如果在物質(zhì)空間中被分開(kāi)的話(huà)，一個(gè)要影響另外一個(gè)，就必須要用某些介質(zhì)在他們之間進(jìn)行傳導(dǎo)，而這個(gè)傳導(dǎo)是需要時(shí)間的，比如假設(shè)兩個(gè)糾纏的粒子之間或許存在著某種隱秘的通訊方式，其中一個(gè)被測(cè)量立即向另外一個(gè)發(fā)送信號(hào)，告訴它應(yīng)該立即變成什么屬性，但是這個(gè)信號(hào)傳輸?shù)乃俣?，需要比光速還快，這顯然就和愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論相矛盾，愛(ài)因斯坦始終認(rèn)為粒子的狀態(tài)應(yīng)該是真實(shí)的，而不應(yīng)該是模糊和不確定的狀態(tài)，他覺(jué)得粒子的狀態(tài)從一開(kāi)始就是確定，只是它們包括在更深層的物理原理之中，不能因?yàn)樗@現(xiàn)不了就不去探究它隱藏的規(guī)律，所以才有了那句對(duì)量子力學(xué)歷史上最有名的質(zhì)疑：如果你不看月亮，月亮就不存在嗎？所以對(duì)于遠(yuǎn)距離的幽靈效應(yīng)，愛(ài)因斯坦質(zhì)疑量子力學(xué)其實(shí)并不完整，看到了愛(ài)因斯坦這篇論文，玻爾寫(xiě)了一篇同名的論文予以回?fù)?，大意是微觀(guān)世界的一個(gè)粒子就是能以某種神秘的方式影響著另一個(gè)粒子，這與宏觀(guān)世界有著根本的區(qū)別。所以定域性和粒子初始狀態(tài)的真實(shí)性，這些在宏觀(guān)世界的基本常識(shí)，如果拿到微觀(guān)世界就全部都不成立了。另外，薛定諤也在同一時(shí)期對(duì)EPR佯謬發(fā)表了自己的觀(guān)點(diǎn)，最重要的是，他還給這個(gè)看似不可能的現(xiàn)象起了個(gè)名字叫做量子糾纏，其實(shí)在當(dāng)時(shí)來(lái)說(shuō)，玻爾的回駁明顯是有些蒼白無(wú)力的，因?yàn)榘串?dāng)時(shí)的科技局限性，誰(shuí)也無(wú)法在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證這個(gè)現(xiàn)象的存在和真實(shí)性，也就更無(wú)法反駁愛(ài)因斯坦關(guān)于量子力學(xué)并不完美的質(zhì)疑，直到兩人相繼過(guò)世，也沒(méi)有分出對(duì)錯(cuò)了。但是這并不妨礙科學(xué)家們用量子力學(xué)的原理去改變世界，拋開(kāi)關(guān)于量子糾纏的爭(zhēng)論，量子力學(xué)方程在曼哈頓計(jì)劃中大顯神威，幫助人類(lèi)擁有了第一顆原子彈，上世紀(jì)50年代的新澤西的貝爾實(shí)驗(yàn)室也利用量子理論，開(kāi)發(fā)出了世界上第一批的激光器，包括現(xiàn)在已經(jīng)無(wú)處不在的小型電腦控制器，也就是奠定了人類(lèi)科技近50-60年的發(fā)展基礎(chǔ)，目前我們擁有的一些高科技設(shè)備，其實(shí)大多都是源于量子方程。

然而，愛(ài)因斯坦對(duì)于那個(gè)根本無(wú)法接受的幽靈效應(yīng)的疑問(wèn)，一直到1964年才有了突破的可能。當(dāng)時(shí)，一位北愛(ài)爾蘭叫做約翰·斯圖爾特·貝爾的物理學(xué)家提供的一種可行檢驗(yàn)量子糾纏的方法，貝爾不等式是基于由定域性約束加一元線(xiàn)性隱變量理論得到的結(jié)論，該結(jié)論反映了對(duì)實(shí)驗(yàn)可能結(jié)果的限制情況，若貝爾不等式成立，則這種形式的隱變量理論正確，則現(xiàn)有的量子力學(xué)就有漏洞。要是實(shí)驗(yàn)結(jié)果排斥貝爾不等式，則表明量子力學(xué)體系正確，或者至少實(shí)驗(yàn)有利于佐證量子力學(xué)。

幾十年來(lái)，人們一直把貝爾不等式是否成立作為判斷隱變量理論與量子力學(xué)孰是熟非的“分水嶺”。在70年代較為完備的貝爾實(shí)驗(yàn)，似乎證明了量子糾纏的超距作用是事實(shí)存在的?？墒秦悹枌?shí)驗(yàn)總是不斷遭到吹毛求疵的物理學(xué)家們質(zhì)疑，即所謂的“自由意志漏洞”詬病，他們懷疑實(shí)驗(yàn)不是絕對(duì)的隨機(jī)，多少還是要受到某種上帝般的給予條件限制。于是就有了2016年11月30日的一場(chǎng)盛大的，由全球10萬(wàn)名志愿者參與的科學(xué)“盛會(huì)”：大貝爾實(shí)驗(yàn)。取樣足夠大的擁有真正的自由意志的參與者，即便“上帝”在那，成千上萬(wàn)個(gè)自由意志選擇的隨機(jī)性數(shù)量也足以滿(mǎn)足統(tǒng)計(jì)取樣難以令人信服。轟轟烈烈的大貝爾實(shí)驗(yàn)也許解決了“自由意志漏洞”，可“局域性漏洞”還是個(gè)亟待解決的問(wèn)題。所有的參與大貝爾實(shí)驗(yàn)的志愿者都在地球上，由于距離太近了，約幾百毫秒的人類(lèi)反應(yīng)時(shí)間還是排除不了不大于光速的“隱變量”的影響。潘建偉團(tuán)隊(duì)把目光轉(zhuǎn)向地球之外，同年，他們利用全球第一顆量子科學(xué)“墨子號(hào)”衛(wèi)星，在1200千米星地之間刷新了量子糾纏分發(fā)距離的世界記錄。將來(lái)計(jì)劃，將更遠(yuǎn)的地月間距離作為量子糾纏“局域性漏洞”檢驗(yàn)的目標(biāo)。2017年，蔡林格用兩顆恒星發(fā)生的光的顏色作為隨機(jī)取樣數(shù)做貝爾實(shí)驗(yàn)。兩顆恒星距離地球大于1900光年和600光年。假如宇宙間確實(shí)有能夠左右量子糾纏的“隱變量”，那至少要在600年前就開(kāi)始謀劃了。

雖然關(guān)于實(shí)驗(yàn)中的漏洞和瑕疵，直到今天仍然被討論，但是量子糾纏的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用其實(shí)在悄然的拓展人類(lèi)未來(lái)科技發(fā)展的上限，最典型的案例就是這樣的，就算量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了普通計(jì)算機(jī)根本無(wú)法企及的強(qiáng)大算力。

回顧量子糾纏的前世今生，我們回到我們要討論的重點(diǎn)，也就是愛(ài)因斯坦口中量子糾纏體現(xiàn)在遠(yuǎn)距離幽靈效應(yīng)，也就是我們所說(shuō)的超距作用，究竟是如何實(shí)現(xiàn)的呢？其實(shí)，當(dāng)初愛(ài)因斯坦提出關(guān)于定域的質(zhì)疑，也就是前面提到的，如果物質(zhì)在空間中被分開(kāi)，一個(gè)影響另外一個(gè)就必須要有某些確實(shí)是在他們之間進(jìn)行傳導(dǎo)，這個(gè)傳統(tǒng)很明顯是需要時(shí)間的，而且這個(gè)傳導(dǎo)的速度需要比光速還快。關(guān)于這一點(diǎn)的質(zhì)疑，其實(shí)自己也沒(méi)有一個(gè)可以被驗(yàn)證的合理解釋?zhuān)覀冎恢肋@種鬼魅般的效應(yīng)確實(shí)是真實(shí)存在的。

但時(shí)至今日，量子糾纏的原理，在科學(xué)界仍然是一個(gè)未知數(shù)。而關(guān)于這個(gè)神奇現(xiàn)象的原理，現(xiàn)在仍然有各種猜測(cè)，例如，糾纏量子之間那條神秘的信息，可能就是以這樣一種超越維度的方式產(chǎn)生作用，因?yàn)槲覀兏兄那€(xiàn)無(wú)法洞悉全貌，但是仍然可以實(shí)現(xiàn)某種程度上的窺一豹而知全貌，假設(shè)自己不能看到這個(gè)二維平面的表面背后的原因，即便你知道是怎么回事，也先不要考慮。假設(shè)這就是一個(gè)光子，我們用特殊的方法將它們一分為二，我們看到的就是兩個(gè)各有50%能量的孿生光子，也就是說(shuō)，他們目前的狀態(tài)，在我的世界里可以被認(rèn)為是已經(jīng)被分離成兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，那么按理說(shuō)他們之間就 再有任何的聯(lián)系。圖2中我們通過(guò)拉拽的方式就可以看到，不管讓糾纏態(tài)量子之間其中哪一個(gè)發(fā)生變化，另一個(gè)則必然產(chǎn)生相反的變化，在我們看到的這個(gè)畫(huà)面中的就是一個(gè)變長(zhǎng)，另一個(gè)就必然變短，這是為什么呢？大家當(dāng)然都知道，因?yàn)閺漠?huà)面上看他們倆確實(shí)是獨(dú)立的個(gè)體，但是我們?nèi)齻€(gè)面，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)他們之間還是存在一些必然的聯(lián)系，那么也就是說(shuō)，這個(gè)平面就是我們所能感受到的，而平面的背面，也就是隱藏的那條神秘信息紐帶的另一面，是我們根本沒(méi)辦法感知到的，但卻也是真實(shí)存在，所謂高緯世界，目前科學(xué)界普遍把他們稱(chēng)為的微觀(guān)世界。

另一種假說(shuō)，是由英國(guó)物理學(xué)家伯姆提出的全息宇宙的概念，我們所在的宇宙是一個(gè)真實(shí)宇宙的全息投影，這是宇宙中的兩個(gè)粒子之間的糾纏現(xiàn)象，其實(shí)就是一個(gè)粒子，所以他們之間有沒(méi)有空間，你所看到畫(huà)面，是從一個(gè)物體的兩個(gè)側(cè)面分別拍出來(lái)的，如果攝影機(jī)的影像都投影到某個(gè)空間之內(nèi)的話(huà)，我們?cè)谶@個(gè)空間里觀(guān)賞路線(xiàn)就存在了這種鬼魅般的兩個(gè)領(lǐng)子糾纏了，其中一個(gè)投影發(fā)生了變化，另外一個(gè)也肯定發(fā)生相反的變化，這也就能夠解釋這種神奇的同步的量子糾纏現(xiàn)象，而且也不與愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論相違背，對(duì)于我們眼前的事物，怎么可能從更深層次的角度考慮？可以直觀(guān)的觀(guān)察和解釋現(xiàn)象，在全宇宙的這個(gè)接觸下的物體投影，在我們這個(gè)空間中，這是兩種完全不同思路和角度，對(duì)于量子糾纏現(xiàn)象的解釋?zhuān)粋€(gè)全息宇宙論相結(jié)合而提出的看法，另一個(gè)就是高維空間相結(jié)合，這都屬于猜想尚未被證實(shí)，這兩個(gè)猜想，目前看起來(lái)都能夠合理的解釋量子糾纏現(xiàn)象，并且并不違背這個(gè)愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論。

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