前言——平行宇宙理論
距離美國物理學家休·埃弗里特（Hugh Everett）在20世紀50年代后期首先提出平行宇宙理論，如今平行宇宙已經(jīng)變?yōu)楸姸辔膶W、影視作品的?？?，由于其藝術(shù)化加工處理，導致其與時間旅行悖論相互混淆，而其真正的來源為一門“神秘的”科學——量子力學。截至目前，這一理論依然是人類歷史上最離奇但又完全合乎邏輯的構(gòu)想之一，在這個理論中，我們所處的宇宙只是眾多平行世界中的一個，不同的平行宇宙之間是有差異化的，在一定程度上甚至可以解釋，為什么我們目前已知的物理化學現(xiàn)象被“上帝”設(shè)計的如此精妙，因為這是無數(shù)可能性中的其中一個，也因此于我們所處的世界誕生了人類。而如果以一個宇宙為前提來解釋，很多晦澀的現(xiàn)象總會被歸結(jié)于“上帝的杰作”，也可以說，平行宇宙理論是對神學的一次沖擊。由于近來諾貝爾物理學獎的頒布，頒獎視頻中出現(xiàn)了我國于2016年發(fā)射的墨子號量子科學實驗衛(wèi)星，量子力學也再次回到大眾視野，我也想通過本人的一些淺顯認識通俗的談?wù)劚疚牡闹黝}量子力學。瑞典皇家科學院決定將2022年的諾貝爾物理學獎授予法國科學家阿蘭·阿斯佩(Alain Aspect)、美國科學家約翰·克勞澤(John F.Clauser)和奧地利科學家安東·塞林格(Anton Zeilinger)，以表彰他們進行了糾纏光子的實驗，確立了對貝爾不等式的不成立，并開創(chuàng)了量子信息科學。他們通過開創(chuàng)性的實驗展示了處于糾纏狀態(tài)的粒子的潛力，這三位獲獎?wù)邔嶒灩ぞ叩拈_發(fā)，也為量子技術(shù)的新時代奠定了基礎(chǔ)。阿蘭·阿斯佩（左）、約翰·克勞澤（中）、安東·塞林格（右）。
圖片來源：諾貝爾獎官網(wǎng)
將時間拉回到1927年，彼時物理學家們還在探討上帝是否是擲骰子的？（量子的狀態(tài)是否是不確定的）海森堡提出海森堡的不確定性原理，其指出：不可能同時精確確定一個基本粒子的位置和動量。此定理最大的意義在于表明微觀世界的粒子行為與宏觀物質(zhì)很不一樣。同年，玻爾與海森堡在哥本哈根所創(chuàng)立的哥本哈根學派，并聲稱自己對量子力學的解釋為量子力學的“正統(tǒng)解釋”，即哥本哈根詮釋。對于一個量子，在沒有觀測它的時候，它可能是兩種狀態(tài)的疊加；而一旦對疊加態(tài)的量子進行觀測，量子疊加態(tài)就會坍縮成其中一個狀態(tài)。通俗來說就是，你不看，他狀態(tài)就未知，你看了，他變成其中一種狀態(tài)。
愛因斯坦是反對哥本哈根詮釋的，為此，還曾和波爾有過一場激烈的辯論。愛因斯坦認為量子是處于一個狀態(tài)，沒法預測是因為隱含的變量，這之間有因果關(guān)系的。薛定諤也是站愛因斯坦這邊的，他們認為這些人在玩什么東西嘛？根本不靠譜！薛定諤也由此提出了一個著名的思想實驗——薛定諤的貓。將一只貓關(guān)在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里。鐳的衰變存在幾率，如果鐳發(fā)生衰變，會觸發(fā)機關(guān)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；如果鐳不發(fā)生衰變，貓就存活。根據(jù)量子力學理論，由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加，貓就理應(yīng)處于死貓和活貓的疊加狀態(tài)。這只既死又活的貓就是所謂的“薛定諤貓”。乍一聽很玄乎，但其實薛定諤的本意是為了諷刺哥本哈根學派，意思是按照你們的說法，我們物理學家啥也不知道，凡事都是不確定的，大家來聽聽，這合理嗎？（雖然現(xiàn)在看來，這可能就是合理的）愛因斯坦一眾人等為了反對哥本哈根詮釋，提出一種量子糾纏（Quantum entanglement）思維實驗，即EPR思想實驗。量子糾纏是指當幾個粒子在彼此相互作用后，由于各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質(zhì)，無法單獨描述各個粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)。量子糾纏是一種純粹發(fā)生于量子系統(tǒng)的現(xiàn)象；在經(jīng)典力學里，找不到類似的現(xiàn)象。量子糾纏也是不受距離限制的，是“非定域性”的。即便是其中一只貓在地球上，另一只貓在宇宙的另一角，這種奇特的聯(lián)系仍然會瞬時發(fā)生。愛因斯坦將這種跨越空間的量子糾纏現(xiàn)象稱為“鬼魅的超距作用”，為此愛因斯坦轉(zhuǎn)而提出“定域隱變量理論”來解釋這種神奇的聯(lián)系。借著檢驗兩個量子糾纏粒子所呈現(xiàn)出的關(guān)聯(lián)性物理行為，凸顯出定域?qū)嵲谡?/span>與量子力學完備性之間的矛盾，因此，這論述被稱為“EPR佯謬”。EPR理論中E、P、R分別是 Einstein、Podolsky、Rosen三位物理學家首字母縮寫。在EPR論文，愛因斯坦等人寫道；“I can't believe that God plays dice”。以佯謬的形式對量子力學的哥本哈根詮釋提出了批評，但EPR論文并沒有質(zhì)疑量子力學的正確性，它質(zhì)疑的是量子力學的不完備性。總結(jié)下來，愛因斯坦認為上帝不是在擲骰子，你看，這有倆電子同時自旋為上，再加上倆電子同時自旋為下，讓他們處于一種量子糾纏狀態(tài)。我拿一個電子站在地球上，小薛拿一個跑到一光年外去，而由于測量會導致量子系統(tǒng)坍縮，電子處于同時為上或為下的疊加狀態(tài)，所以測量結(jié)果，要么同時為上，要么同時為下。那么我一測我手中的這個電子，必然知道另一個電子的狀態(tài)，也就知道了一光年以外的事，信息傳遞超過光速，這是違反相對論的，所以量子糾纏不可能存在。但是波爾、海森堡并不這么認為，他們說，你雖然知道了一光年以外的事，但是這是無信息增量的，那么就沒有信息的傳遞，所以不違背相對論。其實就是在都認可相對論的前提下的辯論，可以看作是一種哲學層面的爭論，也就是局域性原理是否正確的問題（一個特定物體，只能被它周圍的力量影響）。所以是否違背相對論也沒那么重要，就算不違背，這也是無視距離的超距作用（分別處于空間兩個不毗連區(qū)域的兩個物體彼此之間的非局域相互作用），在當時的激烈爭論情況下，大多數(shù)人已經(jīng)搞不懂這些科學家們在說什么了，腦子一團漿糊，你跑過去喊一句說瞬間移動是能夠?qū)崿F(xiàn)的，在考慮到根據(jù)量子力學能瞬間知道幾光年外的事的前提下，可信度還蠻高的。整場辯論的走向，由于沒有人能拿出科學性的實驗證實結(jié)論，這個哲學問題儼然已朝著科幻故事的方向發(fā)展。在此“危難”之際，一個叫貝爾(John Bell)的物理學家橫空出世，為了驗證孰對孰錯，貝爾提出了一個不等式和一個實驗方法，如果實驗結(jié)果符合不等式，那么就支持愛因斯坦的“定域性”理論；如果實驗結(jié)果違背了不等式，則駁斥了愛因斯坦的“定域性”理論。由此誕生了貝爾不等式，是一個有關(guān)是否存在完備局域隱變量理論的不等式，判斷是否成立就可以判斷量子糾纏是否存在。那么問題就轉(zhuǎn)到如何驗證貝爾不等式，而這樣就說到本次諾貝爾物理學獎，設(shè)計實驗?zāi)軌蛑圃焯幱诩m纏態(tài)的光子，從而對貝爾不等式進行驗證。貝爾不等式上世紀七十年代就提出來了，但真正嚴格的實驗是進入21世紀才完成。這三個獲諾貝爾獎的科學家就是完成了這項證明，即愛因斯坦提出來的隱變量，是不存在的。簡化本次諾獎的驗證過程以方便理解，想要驗證量子糾纏，首先是制造量子糾纏的系統(tǒng)，那么我們首先設(shè)定一個總自旋為零的系統(tǒng)，再向兩個相反的方向發(fā)射兩個完全相同的光子，而光子的自旋為1，在無外磁場的作用下，根據(jù)自旋守恒即總自旋為0，所以兩光子自旋方向一定相反，即糾纏住了。那么這時我們測量其中一個光子的自旋，立刻就可以知道另一個光子的自旋，就好像無論相距多遠，始終保持通訊，這就是超距作用無視距離。而根據(jù)愛因斯坦的假設(shè)，存在隱含變量對光子產(chǎn)生影響，可以理解為在兩個光子發(fā)射之前，就已經(jīng)被隱含變量賦予了信息，保證光子的步調(diào)一致。為驗證此猜想，先假設(shè)確實存在隱含變量，根據(jù)光的波粒二象性可知，光子可以看作電磁波，即存在自旋以及振動，而其振幅方向即為偏振方向。這時取三枚不同傾角的偏振片(Polarizer)，偏振片會使偏振片方向和振動方向垂直無法通過，偏振片方向和振動方向平行可以通過，偏振片方向和振動方向有傾斜夾角有概率通過，而量子糾纏狀態(tài)下的光子，其偏振方向是一致的。假設(shè)，三種偏振片分別A、B、C，在南北兩個相反方向隨機設(shè)置一個偏振片，而光子是否通過偏振片，就會產(chǎn)生八種情況，即若存在隱含變量，其會隨機挑一種給光子，光子碰到ABC偏振片自然就會有決定好的結(jié)果，那么在完全隨機抽取偏振片的前提下，會產(chǎn)生三種情況，AB、BC、AC，判斷兩偏振片通過情況是否相同可以得到24種結(jié)果，即在考慮存在不相同結(jié)果的情況2-7中，出現(xiàn)結(jié)果相同的概率是1/3，而加上1和8兩種情況下，最終得到相同的次數(shù)應(yīng)超過1/3。那么以此做幾百萬次實驗，在滿足大數(shù)定理的前提下，如果結(jié)果確實大于1/3，邏輯上就說，不能說明隱型變量不存在，整個實驗就是個驗證找反例的過程。而最終的實驗結(jié)果為1/4，即在邏輯上可以說明，不存在隱型變量。我們假定有一個蘋果，它有一半是青的，有一半是紅的。如果碰紅的那一部分，那青的那一部分必然會同步的動作。量子糾纏就是如此，可以看作是這樣的一個蘋果。現(xiàn)在的分歧在于愛因斯坦認為，這個蘋果它是一整個，它中間是有聯(lián)系的，紅的這一半跟青的那一半是連在一起的，所以才會產(chǎn)生這種現(xiàn)象。那玻爾認為，這紅的這一半和青的那一半是沒有聯(lián)系的。貝爾不等式，就是用來判斷這個蘋果是否是一個整體？還是中間被切了一刀，實際上紅的一半、青的一半分開，是沒有聯(lián)系的。而貝爾不等式判斷方法就是把這個蘋果放在桌子上滾動，然后坐在桌子的一側(cè)觀察蘋果的顏色。假如這個蘋果紅的一半和青的一半屬于同一個蘋果，中間是有聯(lián)系的。我們看到紅的那一半，就一定看不到青的那一半。也就是說，同時看到紅蘋果和青蘋果的概率是0。而如果這個蘋果它中間被切了一刀，紅的這一半和青的這一半它不是連在一起的，那我們讓這個蘋果在桌子上滾，因為它會分開的，有可能同時會看到紅蘋果和青蘋果。所以，這個時候同時看到紅蘋果和青蘋果的概率就大于0。這就是貝爾不等式的原理，最終是判斷概率的大小，所以叫做不等式。由于量子糾纏是微觀物理模型，會受到非常多的干擾因素，而獲2022年諾貝爾物理學獎的三個科學家就是證明了“God plays dice”，他們是量子信息理論的先驅(qū)，也進一步說明了微觀世界遠超我們的理解，打開了全新的研究領(lǐng)域。本文偏科普向文章，引據(jù)雜亂，無法保證其準確性及嚴謹性，故無標注，僅作為對量子力學淺顯認識的分享，以下僅列出本文作者參考較多的文章。[1]李曉.淺談EPR悖論與量子糾纏[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015(29):74.
[2]劉治,張端明.貝爾不等式及其實驗驗證[J].湖北大學學報(自然科學版),2002(02):131-135.
[3]李宏芳.“薛定諤貓佯謬”的哲學研究[J].科學技術(shù)與辯證法,2005(02):35-38.
[4]姜小慧. 科學哲學視角下的EPR悖論研究[D].華中科技大學,2010.
[5]史蒂芬·霍金.《時間簡史》[M]
[6]2022年諾貝爾物理學獎到底說了什么？用蘋果打比喻，誰都能懂|愛因斯坦|物理學家|量子_網(wǎng)易訂閱 (163.com)
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