糾纏不休的量子糾纏

勞倫斯·M.+克勞斯

物理學(xué)中沒有比量子力學(xué)更讓公眾和物理學(xué)家感到困惑的領(lǐng)域了。一方面，量子力學(xué)創(chuàng)造了現(xiàn)代神話，很多人就此兜售理論，自圓其說；另一方面，對(duì)唯心主義者來說，量子力學(xué)讓他們看到了原本客觀的物質(zhì)宇宙中存在自由意志的希望。在讓物理學(xué)家感到困惑和挫敗的所有因素中，量子糾纏首屈一指，被愛因斯坦嘲弄地稱為“鬼魅似的遠(yuǎn)距作用”。

無論愛因斯坦承認(rèn)不承認(rèn)，量子糾纏的確是存在的。前段時(shí)間，荷蘭的研究者證實(shí)了這點(diǎn)，也正應(yīng)了萬圣節(jié)的景。研究再次證明了看起來撲朔迷離的量子力學(xué)，其運(yùn)行方式是完全能被測試的。

要解釋什么是“鬼魅的糾纏”，我們可以先退到現(xiàn)實(shí)世界中，看現(xiàn)實(shí)中可以觸摸到的常規(guī)物體被分離的狀態(tài)（傳統(tǒng)物體個(gè)體太大、和周邊環(huán)境的相互作用太大，所以體現(xiàn)不出量子力學(xué)的作用）。比如引爆器和炸彈，如果我把它們置于道路兩側(cè)并激活引爆器，引爆器會(huì)以低于或者相當(dāng)于光速的速度發(fā)出信號(hào)引爆炸彈，炸彈也只有在接到信號(hào)之后才會(huì)爆炸。

然而量子糾纏理論認(rèn)為，若將事先準(zhǔn)備好的物體置于同一量子態(tài)，即使它們處于星系的兩端，這些物體也能保持“糾纏”狀態(tài)，只要這些物體不與其他物體發(fā)生相互作用就行。如果人們對(duì)處于糾纏狀態(tài)的一個(gè)物體進(jìn)行測量，另一個(gè)物體會(huì)瞬間受到影響，無論它們之間的距離有多么遙遠(yuǎn)。

此現(xiàn)象看起來也沒有那么“鬼魅”。比如，如果把一模一樣的雙胞胎放到兩個(gè)星系，我看到雙胞胎之一的頭發(fā)是紅色的，會(huì)立即斷言另一個(gè)也長著紅頭發(fā)。真正的“鬼魅”之處在于量子力學(xué)里面的測量過程。

我們用一對(duì)電子來舉例。電子的運(yùn)動(dòng)模式為自旋，再加上它們攜帶一個(gè)電荷，因此更像小小的磁體。這就意味著使用電磁輻射就可能控制它們的自旋。我們可以設(shè)置這兩個(gè)電子，使其圍繞同一軸線朝不同的方向旋轉(zhuǎn)，即“反向排列”。

現(xiàn)在我要對(duì)其中一個(gè)軸端的電子進(jìn)行測量。如果此電子的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)锳 方向，把它作為一個(gè)磁體來看，其北極所指的方向?yàn)椤吧稀?；如果其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)锽 方向，那么北極指向的方向?yàn)椤跋隆薄Ｒ驗(yàn)檫@對(duì)電子自旋的方向是相反的，所以如果我發(fā)現(xiàn)一個(gè)電子的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)椤吧稀保敲淳涂赏茢嗔硪粋€(gè)肯定指向 “下”。

但這僅僅是個(gè)假設(shè)。量子力學(xué)認(rèn)為，任何一個(gè)電子的自旋方向在測量之前都不確定，唯一確定的是這兩個(gè)電子旋轉(zhuǎn)方向相反。更為奇異的是，在測量之前，兩個(gè)電子同時(shí)上下移動(dòng)。它們被測量的狀態(tài)是有概率的：當(dāng)其中一個(gè)電子被測量時(shí)，只有50%的概率被“固定”為“上旋”或者“下旋”。因?yàn)閮蓚€(gè)電子處于一個(gè)量子態(tài)，它們相互糾纏，當(dāng)我測量一個(gè)電子的自旋方向時(shí)，就會(huì)決定另一個(gè)電子的自旋方向，正如如果投擲一枚硬幣正面朝上，就決定了投擲另一枚時(shí)肯定反面朝上。

只要兩個(gè)電子保持糾纏，這種關(guān)聯(lián)就會(huì)持續(xù)，即使它們處于星系的兩端。如果我在實(shí)驗(yàn)室測量一個(gè)電子，另外一個(gè)電子會(huì)瞬間受到影響——盡管這兩者之間相隔數(shù)千光年。

這種瞬時(shí)的相互作用就是“鬼魅似的遠(yuǎn)距作用”，愛因斯坦對(duì)此嚴(yán)重質(zhì)疑。在愛因斯坦時(shí)代，糾纏僅是量子力學(xué)的一個(gè)推測，并沒有人真正測試到。1935年，愛因斯坦和兩位合作者，波多爾斯基和羅森共同撰寫論文批判量子糾纏的荒謬（EPR 佯謬）。他們指出，如果量子力學(xué)做出如此預(yù)測，那么量子力學(xué)整個(gè)體系都是錯(cuò)誤的，因?yàn)槟茏龀鲞@種預(yù)測的體系不可能正確描述宇宙。

愛因斯坦和他的合作者根據(jù)常規(guī)思維，認(rèn)為既然把兩個(gè)電子都分離，那它們就是兩個(gè)獨(dú)立物體。但是從量子力學(xué)的角度來看，無論相距多遠(yuǎn)，這兩個(gè)電子都是同一量子態(tài)的一部分。的確，量子力學(xué)認(rèn)為在我們測量任何一個(gè)電子之前，它的位置都是無法確定的，從某種意義上來說，它可能隨時(shí)處于任何位置。

多年來，很多物理學(xué)家已經(jīng)對(duì)愛因斯坦的質(zhì)疑做出解釋。他們提出，有一種不為人知的隱變量使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出糾纏的現(xiàn)象。比如，也許實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置會(huì)預(yù)先決定電子的自旋方向。這種猜測把物理學(xué)家?guī)刖骄常何覀內(nèi)绾沃肋@種隱變量不存在呢？

1964年，物理學(xué)家約翰·貝爾發(fā)表了一篇精彩的論文，證明如果進(jìn)行科學(xué)嚴(yán)密的糾纏實(shí)驗(yàn)，就可以對(duì)粒子進(jìn)行一系列的測量，得到一個(gè)定量分析結(jié)果，此結(jié)果正是傳統(tǒng)理論中的隱變量無法解釋的，由此排除了隱變量的存在。在過去的半個(gè)世紀(jì)中，很多研究團(tuán)隊(duì)使用貝爾定理來證明量子力學(xué)中的糾纏是真正存在的。但是，對(duì)此持懷疑態(tài)度的物理學(xué)家指出，在任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)中都會(huì)存在不易覺察的漏洞。有人認(rèn)為，被分離的系統(tǒng)可能實(shí)際上以隱秘的方式結(jié)合在一起。

近日，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的物理學(xué)家漢森及其研究團(tuán)隊(duì)有了新的突破。他們專門 設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)來消除人們對(duì)量子糾纏的質(zhì)疑，并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果公布于眾。在實(shí)驗(yàn)中，他們同時(shí)測量相距1.3千米的一對(duì)糾纏電子——這是一個(gè)足夠遠(yuǎn)的距離，任何信號(hào)，即使以光速傳播，也不可能從一個(gè)檢測器到達(dá)另一個(gè)檢測器來干擾測量結(jié)果。他們還設(shè)計(jì)出一種方法，可以獨(dú)立檢測被測量的電子是處于糾纏狀態(tài)的。實(shí)驗(yàn)的這兩個(gè)方面有重大創(chuàng)新意義，消除了先前實(shí)驗(yàn)被質(zhì)疑的主要漏洞。毋庸置疑，新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與量子力學(xué)和貝爾定理的預(yù)測完全

一致。

現(xiàn)在，量子糾纏基本被認(rèn)為是被論證了的——至少在證明代夫特理工大學(xué)的實(shí)驗(yàn)仍有漏洞的確鑿證據(jù)出現(xiàn)之前（實(shí)際上已經(jīng)有人開始著手找了）。即使有人又發(fā)現(xiàn)漏洞，其他研究人員也一定會(huì)設(shè)計(jì)出更先進(jìn)、更科學(xué)的實(shí)驗(yàn)來消除漏洞，維護(hù)貝爾定理。這種指出漏洞、消除漏洞的循環(huán)周而復(fù)始，直到?jīng)]有任何漏洞——或者有人認(rèn)為那些漏洞太離譜，根本不值得去研究。

對(duì)此我非常自信。對(duì)糾纏的“鬼魅性”做出直接測量是非常必要的，實(shí)際上我們早已相信量子力學(xué)是在最微觀、最基本的層面對(duì)世界做出的正確描述。我們的生活與其息息相關(guān)，很多現(xiàn)代技術(shù)也建立在其基礎(chǔ)之上。用來控制手機(jī)、電腦、汽車和其他電子設(shè)備的半導(dǎo)體晶體管就建立在電子學(xué)的量子力學(xué)原則之上，這些原則間接依賴于代爾夫特理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)的鬼魅的量子糾纏。所以，不論鬼魅與否，我們的生活都在很大程度上依賴于量子力學(xué)。

但量子糾纏是如此不可思議，以至于理解起來很容易產(chǎn)生荒謬的結(jié)論。比如，迪派克·庫伯拉一直認(rèn)為，量子力學(xué)意味著如果脫離了意識(shí)，客觀世界就不復(fù)存在。但實(shí)際上，意識(shí)與測量行為毫無關(guān)系，測量完全可以由機(jī)器甚至光子來進(jìn)行。如果意識(shí)如此重要，我們寫實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)就要把實(shí)驗(yàn)師的內(nèi)心活動(dòng)也包括進(jìn)去。比如說，我們需要知道他們在做實(shí)驗(yàn)時(shí)是否想著一場艷遇。但我們不需要。無論實(shí)驗(yàn)室里面有沒有人，機(jī)器都會(huì)記錄數(shù)據(jù)、打印結(jié)果，這些打印出的結(jié)果也不會(huì)因?yàn)槿嘶氐綄?shí)驗(yàn)室而發(fā)生改變。

普利策新聞獎(jiǎng)獲得者瑪麗蓮· 魯濱孫曾寫文章質(zhì)疑現(xiàn)代科學(xué)的本質(zhì)和實(shí)用性。她在文章中提出，量子糾纏“動(dòng)搖了人們對(duì)時(shí)間和空間最基本的理解，也就是對(duì)因果性的理解”，“如此一來，人們就會(huì)質(zhì)疑科學(xué)解釋現(xiàn)實(shí)的能力”。其實(shí)她有這種錯(cuò)誤的想法也不難理解：對(duì)一個(gè)眼前的電子進(jìn)行測量會(huì)即刻影響到對(duì)宇宙另一端的另一個(gè)電子的測量，穿行速度超過光速，這種理論看起來的確否定了因果論，也就是人們對(duì)時(shí)間和空間的常規(guī)理解。

但是量子力學(xué)的內(nèi)容遠(yuǎn)非如此簡單。自然界有一個(gè)廣泛的悖論：讓我們的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)人員一個(gè)身處地球，一個(gè)遠(yuǎn)在銀河系邊緣的空間站，分別測量糾纏電子的自旋。他們的測量結(jié)果是沒有任何一個(gè)跨越幾千光年的測量標(biāo)準(zhǔn)來衡量的。他們都會(huì)測量到電子“上旋”或者“下旋”，但是無法說明電子的自旋與別處的電子相關(guān)。唯一可以證明電子之間有相互作用的方法是實(shí)驗(yàn)人員互相交流，但是通訊速度最快也超不過光速。糾纏電子之間瞬間產(chǎn)生相互影響，但這個(gè)過程沒有可以即刻探測到的信號(hào)。要探測這個(gè)過程，還是要遵循因果關(guān)系的基本理論。

量子力學(xué)揭示了自然界最微小層面上的鬼魅之處。如果我們留意觀察，就可以感受到這種詭異性。但量子力學(xué)并非預(yù)示著世事難料，在量子力學(xué)時(shí)代，決定宇宙的基本規(guī)律并沒有消失。量子糾纏理論最大的鬼魅之處莫過于它和我們對(duì)宇宙的宏觀理解可以完美對(duì)接。