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回顾量子百年(第四节):被纠缠的爱因斯坦

发布时间:2023-04-19 11:24:48  信息来源:  阅读次数: 4991 次

没错,量子纠缠实际上是爱因斯坦、薛定谔等人的研究成果。

 

爱因斯坦构想了一个思想实验,描述了一个不稳定的大粒子衰变成两个小粒子(A和B)的情况:大粒子分裂成两个同样的小粒子。小粒子获得动能,分别向相反的两个方向飞出去。如果粒子A的自旋为上,粒子B的自旋便一定是下,才能保持总体的自旋守恒,反之亦然。
 
根据量子力学的说法,测量前两个粒子应该处于叠加态,比如“A上B下”和“A下B上”各占一定概率的叠加态(例如,概率各为50%)。然后,我们对A进行测量,A的状态便在一瞬间坍缩了,如果A的状态坍缩为上,因为守恒的缘故,B的状态就一定为下。
 
但是,假如A和B之间已经相隔非常遥远,比如说几万光年,按照量子力学的理论,B也应该是上下各一半的概率,为什么它能够在A坍缩的那一瞬间,做到总是选择下呢?
 
难道A和B之间有某种方式及时地“互通消息”?即使假设它们能够互相感知,它们之间传递的信号需要在一瞬间跨越几万光年,这个传递速度已经超过了光速,而这种超距作用又是现有的物理知识不容许的。于是,爱因斯坦认为:这就构成了佯谬。
 
爱因斯坦强调不可能有超距作用,意味着他坚持经典理论的“局域性”。量子力学已经否定了确定性,这是爱因斯坦不认可的。而现在,如果连局域性都要抛弃,这可是爱因斯坦绝对不能同意的,因而在文章中他将两个粒子间瞬时的相互作用称为“幽灵般的超距作用”。
 
薛定谔读完EPR论文之后,他用德文写了一封信给爱因斯坦,在这封信里,他最先使用了术语Verschränkung(意思是纠缠),这是为了要形容在EPR思想实验里,两个暂时耦合的粒子,不再耦合之后彼此之间仍旧维持的关联。
 
EPR佯谬也得到了玻尔的回应。他认为,因为两个粒子形成了一个互相纠缠的整体,只有用波函数描述的整体才有意义,不能将它们视为相隔甚远的两个个体——既然是协调相关的一体,它们之间便无须传递什么信息。
 
爱因斯坦绝对接受不了玻尔的这种古怪的说法,即使在之后的二三十年中,玻尔的理论占了上风,量子理论如日中天,各个分支高速发展,给人类社会带来伟大的技术革命,爱因斯坦仍然固执地坚持他的经典信念,反对哥本哈根学派对量子理论的诠释。
 
1955年,爱因斯坦与世长辞,几年后玻尔也离开了人世。但他们观点的分歧依然没有一个定论,直到1964年英国物理学家约翰·贝尔提出了著名的“贝尔不等式”。
 
爱因斯坦一方坚持认为量子纠缠的随机性是表面现象,背后可能藏有“隐变量”,贝尔本人也支持这个观点。他试图用实验来证明爱因斯坦的隐变量观点是正确的。
 
 
贝尔假设了一个上图所示的实验。根据出生确定论,这些光子的偏振方向都是已经确定好了的,对一个光子的测量结果和对另一个光子的测量结果无关。但在量子力学中,对一个光子的测量结果必然影响另一个光子的测量结果。
 
比如做4次实验,分别把左右两边的偏振片置于(0°, 0°)、(30°, 0°)、(0°, -30°)、(30°, -30°)的角度。第一种情况,所有的光子都能通过偏振片。第二、三种情况,是分别选择每一边的偏振片。第四种情况,是两边的偏振片都旋转。
 
简单来说,如果对一个光子的测量结果和对另一个光子的测量结果无关,那么两边的偏振片都旋转的结果≤每一边偏振片分别旋转的结果之和,这就是贝尔不等式。
 
但根据量子理论,对一个光子的测量结果必然影响另一个光子的测量结果。那么,就会出现两边的偏振片都旋转的结果>每一边偏振片分别旋转的结果之和的情况。
 
也就是说,如果该不等式成立,爱因斯坦获胜,如果该不等式不成立,则玻尔获胜。因此,贝尔不等式将爱因斯坦等人提出的EPR佯谬中的思想实验,转化为真实可行的物理实验。
 
尽管贝尔的原意是支持爱因斯坦,找出量子系统中的隐变量,但他的不等式导致的实验结果却适得其反。在之后的几十年里,所有贝尔测试的实验结果都偏向于量子力学。
 
1972年,物理学家克劳泽及其合作者弗里德曼,成为贝尔不等式实验验证的第一人。实验结果违背贝尔不等式,证明了量子力学的正确性。
 

1982年,巴黎第十一大学的阿兰·阿斯佩等人在贝尔的帮助下,改进了克劳泽和弗里德曼的贝尔定理实验,成功地堵住了部分主要漏洞。这次的实验结果同样违反贝尔不等式,证明了量子力学的非局域性。



▍背景简介:本文摘自公众号“光子盒”。

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