2022年的诺贝尔物理学奖被一些人误解为证明了量子纠缠现象。实际上,包括爱因斯坦本人都承认量子纠缠,关键在于如何诠释。今年诺贝尔物理学奖的价值在于这几位物理学家以无可争辩的实验事实,证明了基于定域隐变量的贝尔不等式是不对的。目前的介绍文字,没有认真解释量子力学在理论上是如何批驳贝尔不等式的,同时对量子纠缠的物理价值多有阐述,但对其哲学意义却鲜有评述,对社会上滥用纠缠概念缺少直接批判和阐释。
文章希望在这两方面有所补充。
2022年诺贝尔物理学奖得主Alain Aspect,John F. Clauser,Anton Zeilinger光子纠缠实验早已广为人知、闻名于世,甚至排进了大学本科的近代物理实验教学中。实验虽然堪称精巧,但并不十分复杂,认真的大学本科高年级学生和研究生都可以完成,也可以写出漂亮的实验报告。其中的理论推导部分也不十分艰深。
然而真正理解这个实验的人并不多,大多数学做了实验,也依然停留在知其然不知其所以然的朦胧状态。这当中的困惑,在于其逻辑推衍,这才是它的价值所在,是它的物理真谛。本文试图以简明清晰的方式予以解读,以飨一般读者。
这一发展的关键因素是量子力学如何允许两个或多个粒子以纠缠态存在。纠缠粒子对之中的一个粒子的状态,决定了另一个粒子的状态,即使这两个粒子相距很远——这就是量子纠缠,或说是量子叠加态。量子纠缠触及了对量子力学本质的理解、对自然规律的认识,以及量子理论未来的发展和第二次量子革命,也涉及了量子力学深刻的哲学内涵。
故事要从头说起:为什么产生了这个实验,它的物理背景是什么?
众所周知,量子力学在几十年前曾受到包括物理学泰斗级人物爱因斯坦、薛定谔等多位物理学家的公开质疑,其中就包括了量子纠缠。爱因斯坦称,量子纠缠为幽灵般的超距作用。他还有一句针对玻恩几率解释的名言——上帝不会掷骰子。近90年前的1935年,爱因斯坦和一位博士后罗森(N. Rosen)、以及研究员波多尔斯基(B. Podolsky)联合发表了论文《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的?
》,后人称之为EPR文章,EPR即是三人姓名的首字母。这篇论文的论证又被称为EPR佯谬或爱因斯坦定域实在论,爱因斯坦认为,一个粒子只在局部拥有其所有特性并决定了任何测量的结局。
随后,薛定谔也发表了几篇相关论文,定义了量子纠缠这一术语。但量子纠缠这种行为被爱因斯坦抨击为违背定域实在论。他表示,量子力学的标准表述不具完备性。
1964年,英国物理学家约翰·贝尔(John Stewart Bell)提出了以他名字命名的数学不等式。他提出,如果存在隐变量,大量测量结果之间的相关性将永远不会超过某个值。然而,量子力学预言,某种类型的实验将违反贝尔不等式,从而导致比其他方式更强的相关性。
现在我们仔细来看EPR佯谬和贝尔不等式究竟在说什么。EPR文章是一篇基于思想实验和逻辑推理的雄文。
这个思想实验就是一个复合粒子分裂为朝相反方向运动(以保证动量守恒)的两个粒子,当我们观测其中一个粒子的某个物理参数(例如自旋,虽然EPR文章并没有用自旋),另一个粒子的相应参数就瞬时确定了。这并不违背相对论,因为并没有超光速的信息传输,在经典物理中,这也不是问题,例如两个粒子的动量显然相关,知其一,可知其二。但是在量子力学的诠释上,却产生了疑问。
因为量子力学中一个粒子的状态是不确定的,只有在测量时,产生所谓波函数坍塌,我们才知道它处于何种状态,而这同时,另一个粒子也产生了波函数坍塌,因此这第二个粒子的状态也已经自然而然地确定了。
贝尔不等式是一个悖论。它的初衷就是用来辨别真伪的。贝尔本人倾向于爱因斯坦与玻姆的隐变量假说。按照隐变量的观念,纠缠粒子出世伊始,即已携带相同的基因,即隐变量。
这个隐变量使它们互相关联,如同孪生兄弟姐妹之间的心灵感应,就基于他们分享相同的遗传基因。贝尔不等式本意是以数学的方式证实这个隐变量的存在,也间接地证明经典的解释是正确的,量子力学的诠释是不成立的。这里数学是简单的,逻辑却很深刻和烧脑。这部分内容请参阅张天蓉2015年在《物理》杂志上形象而准确的解释。
量子纠缠的现象已经被实验证实,爱因斯坦及其合作者也并不怀疑这一点,但是它的实质尚在理解之中。目前的结论只是说它有的效应不能用经典理论或隐变量假说来诠释,但是符合量子力学的认知。如今它不但是一个物理问题,也是一个哲学问题,是大众关切的热点话题。诸如心灵感应,灵魂物质化的各种议论纷纷出炉,一时间纠缠的名词风靡全球,实实在在地纠缠着广大民众的心思。
量子纠缠究竟是什么?
从物理实验的角度,我们已经了解,就是基于同源的两个(或多个)微观粒子间物理参数的自然关联。问题是,纠缠的本质是什么?它是如何造成,并且意味着什么?要回答这个问题,必须承认微观世界与宏观世界服从不尽相同的物理规律,量子力学的所谓神秘和不可理解也正在于此。因为人类是属于宏观世界的,我们的认知以宏观世界为基础。
人类无法身临其境地去了解微观世界的奥妙,只能通过各种测量手段去探索,而这无形中就以宏观世界的手段干预了微观世界,造成所谓的量子态的坍塌。