1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森發(fā)表了一篇題為《物理實在的量子力學(xué)描述能否認為是完備的？》。在該論文中，他們設(shè)計了一個思想實驗，稱為EPR思想實驗。該實驗是描述了定域?qū)嵲谡?/span>和量子力學(xué)完備性之間的矛盾。
△ 1935年愛因斯坦等人發(fā)表的論文。EPR是以三位作者名字的第一個字母命名的。
定域?qū)嵲谡撌侵冈谀硞€地方發(fā)生的事件不能立即影響在其它地方的物理實在，傳遞影響的速度必須被納入考量。而EPR論文則是建立在定域?qū)嵲谡?/span>這個基本假設(shè)之上，因此愛因斯坦等人認為量子力學(xué)是不完備的。
在量子力學(xué)的世界中，粒子的其中一個基本性質(zhì)就是它們的行為并不是預(yù)先決定的。跟這個性質(zhì)相關(guān)的一個微妙效應(yīng)稱為“糾纏”，它是指兩個粒子之間可以保持一種特殊的連接，如果你測量了其中一個粒子的狀態(tài)，你就立即知道另一個粒子的狀態(tài)，無論距離多遠，愛因斯坦把這種可以超光速的作用稱為“鬼魅般的超距作用”。
為了更加清楚地理解什么是量子糾纏，我這里舉一個簡單的例子。假設(shè)我買了一雙手套，把其中一只寄給在北京的小明，把另外一只寄給在廣州的小紅。由于他們都知道我愛開玩笑，當(dāng)小紅打開包裹時發(fā)現(xiàn)了一只左手套，她立即就知道小明會收到右手套?！俺蓪Α钡氖痔滓馕吨鼈兪且粋€“糾纏”系統(tǒng)。
△ 對于糾纏的粒子對，如果你知道其中一個粒子的狀態(tài)，就立即知道另一個粒子的狀態(tài)，即使它們分別位于宇宙的兩端。（圖片來源：Astronomy Magazine）
手套糾纏和量子糾纏之間的區(qū)別在于，手套早就已經(jīng)有了注定的結(jié)果。當(dāng)我在幾天前把手套郵寄出去的時候，就已經(jīng)注定了結(jié)局。即使我不知道我給他們寄的手套分別是哪只，但不是這只就是那只，總有一只手套在其中一個包裹里。小紅不可能打開包裹的時候發(fā)現(xiàn)里面居然是一只鞋子。但量子糾纏告訴我們，包裹里有可能是鞋子。在量子世界中，我所知道的只是我郵寄出去了一對東西。它可能是手套、鞋子或襪子，而且小明和小紅也不可能知道包裹里究竟是什么，直到它們打開包裹。但在小明打開包裹看到左手套的那一刻，他就立即知道小紅收到的是右手套。
如果這聽起來很奇怪，不要擔(dān)心，你并不是其中一個。即使是量子物理學(xué)家也會覺得這樣的現(xiàn)象是非常詭異的。詭異到有些人認為肯定有什么神秘的事情發(fā)生，告訴兩個粒子要怎么做。我們或許不知道結(jié)果會是什么，但是兩個粒子知道。
面對這樣的問題，物理學(xué)家分為兩個陣營。一方是站在玻爾這一邊，他們認為當(dāng)你對糾纏粒子對的其中一個粒子進行測量時，它瞬間坍縮成一個狀態(tài)（比如自旋向“上”），我們就立即知道另一個粒子的狀態(tài)（自旋向“下”）。而另一方則加入愛因斯坦的陣營，認為量子力學(xué)是不完備的，測量結(jié)果肯定是受到了某種局域的“隱變量”的預(yù)先決定，只是我們沒有探測到它。換句話說，兩個粒子的自旋狀態(tài)雖然看起來是隨機的，但卻可能是在兩個粒子分離的那一刻（或之前）就決定好了。
△ 約翰·貝爾。（圖片來源：CERN）
為了檢驗究竟孰是孰非，1964年貝爾提出了著名的“貝爾不等式”。它可以用來檢驗這奇異的量子特性究竟是由局域隱變量決定的（即粒子的性質(zhì)在測量之前就已經(jīng)決定了），還是由非局域的量子糾纏所導(dǎo)致（非局域代表可以超光速傳播）?？茖W(xué)家通過對不同的糾纏粒子進行獨立的測量，如果在統(tǒng)計上，粒子對中粒子間的相關(guān)性超過了一個上限，就不能用隱變量來解釋了，也就意味著結(jié)果更符合量子力學(xué)的預(yù)測。
過去，科學(xué)家已經(jīng)進行了多次貝爾實驗，都證明了量子力學(xué)的正確性，但那些實驗都包含了一些漏洞。因此物理學(xué)家的目標(biāo)就是填補這些漏洞。
貝爾實驗的關(guān)鍵在于確保糾纏物體是以隨機的方式測量。這樣做事為了讓系統(tǒng)保持不確定，直到其中一個物體被測量。在此前的實驗中，科學(xué)家通常使用隨機數(shù)生成器來選擇實驗設(shè)置，并將生成器放置在于與粒子對相隔144公里的地方。所以，如果存在隱變量（而不是量子糾纏）同時影響兩者，就必須在生成隨機數(shù)之前就預(yù)先產(chǎn)生影響，也就是實驗開始的幾微秒之前。因此，如果存在隱變量，實驗就把它作用的時間限制到了實驗開始的幾微秒或更早之前?，F(xiàn)在，我們的目標(biāo)是要把隱變量作用的時間限制大大提前。
值得一提的是，從技術(shù)上講，實驗、隨機數(shù)生成器和科學(xué)家都被“糾纏”在一個單一系統(tǒng)，所以結(jié)果或許已經(jīng)預(yù)先決定了。在實驗開始后，看起來像是隨機的選擇或許不是真正的隨機。這就是所謂的設(shè)置獨立問題。
現(xiàn)在，在一項最新的研究中科學(xué)家利用來自遙遠恒星的光來進行貝爾實驗。他們不再使用局域隨機數(shù)產(chǎn)生器，而是觀測兩顆相距甚遠的恒星發(fā)出的光。
△ 光錐圖顯示了EPR實驗的影響范圍。（圖片來源：Johannes Handsteiner, et al.）
這個實驗的隨機數(shù)生成器是基于兩顆恒星發(fā)出的光的顏色，一顆恒星距離600光年遠，另一顆恒星距離約1900光年外。他們通過觀察恒星發(fā)出的光是藍色還是紅色來決定測量糾纏光子的特性，由于光的顏色在恒星發(fā)出光的時候就已經(jīng)確定了，不會再傳播中發(fā)生改變，這就意味著如果隱變量想要解釋相關(guān)性，就得在恒星發(fā)出這束光之前，也就是至少600年前就預(yù)先做好決定。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)貝爾不等式再次被違反了，這意味著并不存在任何隱變量來影響結(jié)果。
事實上這個新的實驗并沒有完全解決獨立問題?；蛟S實驗，科學(xué)家和在數(shù)千光年內(nèi)區(qū)域的恒星都協(xié)力來確保系統(tǒng)擁有隱藏的信息。這在理論上是可能的，但這也必須發(fā)生在至少600年以前。所有從前的結(jié)果都只能把結(jié)果限制在實驗開始的幾微秒之前，而這個實驗把結(jié)果限制到了600年之前，相當(dāng)于16個數(shù)量級的進步，這是很不可思議的！因此，我們幾乎可以非常有信心的說在這個系統(tǒng)中并不包含隱變量，量子理論的行為正如我們所期待的那樣。
參考來源：Cosmic Bell Test: Measurement Settings from Milky Way Stars. arxiv.org/abs/1611.06985v2
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