三位研究人員因其在理解量子糾纏方面的開(kāi)創(chuàng)性工作而被授予2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這是自然界最令人困惑的現(xiàn)象之一。量子糾纏，用最簡(jiǎn)單的話(huà)來(lái)說(shuō)，意味著糾纏對(duì)中的一個(gè)粒子的某些方面取決于另一個(gè)粒子的某些方面，無(wú)論它們相距多遠(yuǎn)或它們之間有什么。這些粒子可以是電子或光子，一個(gè)方面可以是它所處的狀態(tài)，例如它是否在一個(gè)方向上"旋轉(zhuǎn)"。
量子糾纏的奇怪之處在于，當(dāng)你測(cè)量糾纏對(duì)中的一個(gè)粒子的一些情況時(shí)，你會(huì)立即知道另一個(gè)粒子的一些情況，即使它們相隔數(shù)百萬(wàn)光年。兩個(gè)粒子之間的這種奇怪的聯(lián)系是瞬間的，似乎打破了宇宙的一個(gè)基本規(guī)律。這就是為什么阿爾伯特-愛(ài)因斯坦把這種現(xiàn)象稱(chēng)為"遠(yuǎn)距離的幽靈行動(dòng)"。
科學(xué)家花了20年的時(shí)間進(jìn)行植根于量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)接受了它的奇怪之處。由于越來(lái)越精確和可靠的儀器以及今年的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者阿蘭-阿斯佩克、約翰-克勞瑟和安東-澤林格的工作，物理學(xué)家現(xiàn)在以一種特殊的確定性將量子現(xiàn)象納入他們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)。
然而，甚至直到20世紀(jì)70年代，研究人員對(duì)量子糾纏是否是一種真實(shí)的現(xiàn)象仍然存在分歧。而且理由很充分--誰(shuí)敢反駁偉大的愛(ài)因斯坦，他自己也懷疑過(guò)這個(gè)問(wèn)題？新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和大膽的研究人員最終揭開(kāi)了這個(gè)謎團(tuán)。
根據(jù)量子力學(xué)，粒子在被觀察到之前同時(shí)處于兩種或更多的狀態(tài)--薛定諤著名的思想實(shí)驗(yàn)生動(dòng)地捕捉到了這種效果，即一只既死又活的貓同時(shí)存在。
同時(shí)存在于多種狀態(tài)中
要真正理解量子糾纏的詭異之處，首先必須了解量子疊加。量子疊加是粒子同時(shí)存在于多種狀態(tài)的想法。當(dāng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，就好像粒子選擇了疊加狀態(tài)中的一種。
例如，許多粒子有一個(gè)被稱(chēng)為自旋的屬性，對(duì)于分析儀的一個(gè)給定方向，它被測(cè)量為"向上"或"向下"。但在你測(cè)量一個(gè)粒子的自旋之前，它同時(shí)存在于自旋向上和自旋向下的疊加中。
每種狀態(tài)都有一個(gè)概率，而且有可能從多次測(cè)量中預(yù)測(cè)出平均結(jié)果。單個(gè)測(cè)量結(jié)果是上升還是下降的可能性取決于這些概率，但其本身是不可預(yù)測(cè)的。
雖然非常奇怪，但數(shù)學(xué)和大量的實(shí)驗(yàn)表明，量子力學(xué)正確地描述了物理現(xiàn)實(shí)。
兩個(gè)糾纏的粒子
量子糾纏的詭異性來(lái)自于量子疊加的現(xiàn)實(shí)，對(duì)于在20世紀(jì)20年代和30年代發(fā)展該理論的量子力學(xué)奠基人來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)很清楚。
為了創(chuàng)造糾纏的粒子，基本上需要把一個(gè)系統(tǒng)分成兩個(gè)，其中各部分的總和是已知的。例如，你可以將一個(gè)自旋為零的粒子分成兩個(gè)粒子，這兩個(gè)粒子的自旋必然相反，所以它們的總和為零。
1935年，阿爾伯特-愛(ài)因斯坦、鮑里斯-波多爾斯基和內(nèi)森-羅森發(fā)表了一篇論文，描述了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，旨在說(shuō)明量子糾纏的一個(gè)看似荒謬的問(wèn)題，挑戰(zhàn)了宇宙的一個(gè)基礎(chǔ)法則。
這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的一個(gè)簡(jiǎn)化版本，歸功于大衛(wèi)-博姆，考慮了一個(gè)叫做π介子的粒子的衰變。當(dāng)這個(gè)粒子衰變時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子和一個(gè)正電子，它們的自旋是相反的，并且相互遠(yuǎn)離。因此，如果電子的自旋被測(cè)量為向上，那么正電子的自旋被測(cè)量只能是向下，反之亦然。即使這些粒子相距數(shù)十億英里也是如此。
如果對(duì)電子自旋的測(cè)量總是向上的，而對(duì)正電子自旋的測(cè)量總是向下的，這就很好。但由于量子力學(xué)的原因，每個(gè)粒子的自旋在被測(cè)量之前都是部分向上和部分向下。只有當(dāng)測(cè)量發(fā)生時(shí)，自旋的量子狀態(tài)才會(huì)"坍縮"為向上或向下--瞬間將另一個(gè)粒子坍縮為相反的自旋。這似乎表明，粒子通過(guò)某種移動(dòng)速度超過(guò)光速的方式相互溝通。但根據(jù)物理學(xué)定律，沒(méi)有什么能比光速更快。當(dāng)然，一個(gè)粒子的測(cè)量狀態(tài)不能瞬間決定宇宙遠(yuǎn)端的另一個(gè)粒子的狀態(tài)？
包括愛(ài)因斯坦在內(nèi)的物理學(xué)家在20世紀(jì)30年代提出了一些關(guān)于量子糾纏的替代解釋。他們的理論是，有一些未知的屬性--被稱(chēng)為隱藏變量--在測(cè)量之前就決定了粒子的狀態(tài)。但在當(dāng)時(shí)，物理學(xué)家沒(méi)有技術(shù)，也沒(méi)有明確的測(cè)量定義，無(wú)法測(cè)試量子理論是否需要修改以包括隱藏變量。
駁斥一個(gè)理論
直到20世紀(jì)60年代，才有了任何關(guān)于答案的線索。約翰-貝爾，一位杰出的愛(ài)爾蘭物理學(xué)家（沒(méi)有活到獲得諾貝爾獎(jiǎng)的那一天）設(shè)計(jì)了一個(gè)方案來(lái)測(cè)試隱藏變量的概念是否有意義。
貝爾提出了一個(gè)現(xiàn)在被稱(chēng)為"貝爾不等式"的方程，該方程對(duì)于隱藏變量理論總是正確的--而且是唯一正確的--而對(duì)于量子力學(xué)則不一定。因此，如果在現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)貝爾方程不被滿(mǎn)足，就可以排除局部隱變量理論對(duì)量子糾纏的解釋。
2022年諾貝爾獎(jiǎng)得主的實(shí)驗(yàn)，特別是阿蘭-阿斯佩克特的實(shí)驗(yàn)，是對(duì)貝爾不等式的首次檢驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)使用了糾纏的光子，而不是像許多思想實(shí)驗(yàn)中那樣使用電子和正電子對(duì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終排除了隱藏變量的存在，這種神秘的屬性會(huì)預(yù)先決定糾纏粒子的狀態(tài)?？偟膩?lái)說(shuō)，這些實(shí)驗(yàn)和許多后續(xù)實(shí)驗(yàn)證明了量子力學(xué)的正確性。物體可以以量子力學(xué)之前的物理學(xué)所不能解釋的方式在大范圍內(nèi)相互關(guān)聯(lián)。
重要的是，這與禁止超光速通信的狹義相對(duì)論也沒(méi)有沖突。在遙遠(yuǎn)的距離上的測(cè)量是相關(guān)的，但這并不意味著信息在粒子之間被傳輸。相隔遙遠(yuǎn)的雙方對(duì)糾纏的粒子進(jìn)行測(cè)量，不能利用這一現(xiàn)象以超過(guò)光速的速度傳遞信息。
今天，物理學(xué)家繼續(xù)研究量子糾纏并調(diào)查潛在的實(shí)際應(yīng)用。盡管量子力學(xué)能夠以令人難以置信的精確度預(yù)測(cè)測(cè)量的概率，但許多研究人員仍然懷疑它是否提供了對(duì)現(xiàn)實(shí)的完整描述。不過(guò)，有一點(diǎn)是肯定的。關(guān)于量子力學(xué)的神秘世界，仍有許多東西需要說(shuō)明。
作者：Andreas Muller，南佛羅里達(dá)大學(xué)物理學(xué)副教授。
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