我給你留了條信息。你知道這條信息的到來。你不會(huì)理解它，除非你問我。信息是瞬間從我這里傳給你的。它不是通過無線電或光纖電纜以光速傳遞的（它是即時(shí)的）。直到1935年，阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表了一篇震撼量子物理學(xué)家的論文。

這個(gè)問題就是糾纏。這篇論文的題目是 "量子力學(xué)對(duì)物理現(xiàn)實(shí)的描述能被認(rèn)為是完整的嗎？"

糾纏是一個(gè)很難理解的話題，即使對(duì)物理學(xué)家來說也是如此。它是如此困難，以至于花了幾十年的時(shí)間來確定它到底是什么以及它的原理是什么。盡管如此，沒有人知道它意味著什么。

糾纏來自于物理學(xué)中的守恒定律。這些定律告訴我們，某些數(shù)量必須相加。能量、動(dòng)量、角動(dòng)量和電荷不能丟失或找到。這些守恒定律是絕對(duì)的，但量子物理學(xué)給了粒子回旋的余地，當(dāng)有一個(gè)以上的粒子參與時(shí)，它們?nèi)绾巫袷剡@些定律。這就是粒子是如何被糾纏的。

守恒量是成對(duì)的互補(bǔ)屬性。你可以在單個(gè)粒子的單一實(shí)驗(yàn)中測(cè)量一個(gè)，但不能測(cè)量另一個(gè)。例如，你不能同時(shí)測(cè)量一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量。如果你聽說過海森堡的不確定性原理，那就是這個(gè)想法，但不確定性是理解它的一個(gè)壞方法。它讓人覺得問題出在你的測(cè)量?jī)x器上。但真正的問題是現(xiàn)實(shí)。

粒子有一個(gè)叫做自旋的屬性，也就是它們的角動(dòng)量。對(duì)于像電子這樣的大質(zhì)量粒子來說，自旋有三個(gè)組成部分，我們稱之為x、y和z，光子只有兩個(gè)，x和z。自旋是互補(bǔ)的屬性。但事實(shí)證明，如果有糾纏在一起的粒子，你可以同時(shí)知道這兩個(gè)自旋。

假設(shè)你準(zhǔn)備一個(gè)實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生兩個(gè)光子，使它們必須具有相反的自旋，即A和B，你可能從一個(gè)質(zhì)子的衰變中得到。由于你不知道每個(gè)光子有什么自旋，你需要測(cè)量它，但你只能測(cè)量每個(gè)光子的x或z分量。幸運(yùn)的是，如果你測(cè)量A的x和B的z，你可以推斷出A的z和B的x是相反的。這是因?yàn)檫@兩個(gè)光子是糾纏在一起的。例如，如果A的x是 "上"，B的z是 "右"，那么B的x是 "下"，A的z是 "左"。

1935年，一些物理學(xué)家認(rèn)為這似乎違反了海森堡原理，但它沒有，愛因斯坦也知道。根據(jù)量子物理學(xué)，當(dāng)這兩個(gè)光子移開時(shí)，它們?nèi)匀皇羌m纏的，就像它們是兩個(gè)不同位置的單一粒子。更糟的是，在測(cè)量自旋之前，這些粒子并沒有一個(gè)明確的自旋值。

關(guān)于宇宙的本質(zhì)，愛因斯坦有兩種根深蒂固的信念：位置性和現(xiàn)實(shí)主義（locality and realism），而量子理論似乎違背了這兩種信念。

位置性意味著每件發(fā)生的事情都發(fā)生在一個(gè)特定的時(shí)間和一個(gè)特定的地點(diǎn)。一件事不可能發(fā)生在兩個(gè)地方。而兩件事情只能以光速或比光速慢的速度傳播信號(hào)，而不是即時(shí)的。

現(xiàn)實(shí)主義意味著，宇宙中所有可以測(cè)量的東西在被測(cè)量之前都有一個(gè)確定的狀態(tài)。換句話說，如果我測(cè)量一個(gè)粒子有一個(gè)特定的自旋，那么在我測(cè)量它之前，它一定有這個(gè)自旋。

愛因斯坦堅(jiān)持認(rèn)為，量子物理學(xué)只有滿足這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)才算完整。但偉大的量子物理學(xué)家玻爾和海森堡并不同意。海森堡是明顯的反現(xiàn)實(shí)主義者，而玻爾不一定是反現(xiàn)實(shí)主義者，但他認(rèn)現(xiàn)實(shí)既取決于觀察者，也取決于被觀察者，所以他對(duì)從同一粒子的不同種類的實(shí)驗(yàn)中得到不同的結(jié)果不感到驚訝。

以下是糾纏是如何違反愛因斯坦的信念的。

違反現(xiàn)實(shí)主義

根據(jù)量子理論，光子A和光子B在被測(cè)量之前并沒有明確的自旋。相反，它們有一系列可能的自旋被編碼在一個(gè)叫做波函數(shù)的實(shí)體中，但是，由于它們的自旋是相反的，一個(gè)自旋必須決定另一個(gè)。然而，當(dāng)你測(cè)量自旋時(shí)，它就變成了確定的、不可改變的。因此，在測(cè)量之前，它并不成為 "真實(shí)"。

違反位置性

當(dāng)我們測(cè)量光子A的自旋時(shí)，它自動(dòng)決定了你將在光子B處測(cè)量的東西。在光子A處測(cè)量的東西似乎被瞬間傳送到光子B處，因此它既 "知道 "它應(yīng)該是什么自旋，又知道進(jìn)行了何種測(cè)量。這種知識(shí)并沒有給進(jìn)行測(cè)量的人帶來任何新的信息，但如果不援引某種信息傳遞，就不可能在標(biāo)準(zhǔn)量子理論中解釋實(shí)驗(yàn)。

你可以通過觀察你的自旋探測(cè)器之間的角度如何影響你在每個(gè)光子上的測(cè)量結(jié)果來量化它。如果你測(cè)量?jī)蓚€(gè)光子的x和x，你的角度是0或180度。如果你測(cè)量x和z，它是90或270。但如果你在x和z之間測(cè)量，它可能是30或45或其他一些數(shù)字。

如果沒有信息傳遞，你會(huì)期望在不同角度的測(cè)量服從下面的紅線，即角度之間的完全線性相關(guān)。當(dāng)你的探測(cè)器平行或垂直時(shí)，你可以假裝信息沒有轉(zhuǎn)移，因?yàn)樗{(lán)線和紅線在這些角度交叉。但在其他情況下，相關(guān)關(guān)系是非線性的，這意味著信息必須被轉(zhuǎn)移，不僅是關(guān)于被測(cè)量的東西，而且是如何被測(cè)量的。

在量子場(chǎng)理論中，這種信息轉(zhuǎn)移發(fā)生在所有的時(shí)間和空間，從大爆炸到時(shí)間的盡頭，從地球到空間的盡頭，如果有這種東西的話。

多世界解釋

你可以通過多世界解釋來解決這些問題：例如，你可以通過說粒子自旋的每個(gè)值作為一個(gè)明確的值存在于多元宇宙中該粒子的一個(gè)副本中，來恢復(fù)現(xiàn)實(shí)主義和位置性。從一個(gè)光子到另一個(gè)光子的表面信息傳輸是一種幻覺。相反，你——意思是你的一個(gè)副本，已經(jīng)被分割到一個(gè)特定的宇宙中，在那里它看起來是這樣的。這很容易理解，但很難相信。

對(duì)量子理論的修改

你也可以通過修改量子理論來恢復(fù)現(xiàn)實(shí)主義和位置性，但并不容易。

例如，大衛(wèi)-博姆（David Bohm）引入了導(dǎo)引波來引導(dǎo)粒子并為它們進(jìn)行交流，這恢復(fù)了現(xiàn)實(shí)主義，但沒有恢復(fù)位置性。還有許多其他的變種和新解釋。大多數(shù)已經(jīng)不那么流行了。

修改量子理論就像玩火，你經(jīng)常會(huì)被燒傷。量子理論畢竟是一個(gè)有100年歷史的大廈，是有史以來最成功的物理理論。幾乎所有的修改都給宇宙引入了一些隨機(jī)性的因素。也都未能恢復(fù)位置性。

從直覺上思考量子理論是很難的。愛因斯坦的相對(duì)論沒有發(fā)揮作用，也會(huì)產(chǎn)生問題。一旦你過渡到量子場(chǎng)論，那些修飾所依賴的許多假設(shè)就會(huì)消失。像博姆的理論就開始崩潰了。

如何直觀地思考糾纏問題

想象一下，有一個(gè)上帝視角?；氐郊m纏的光子上，想象一下，它的自旋是一個(gè)小箭頭，垂直于它的運(yùn)動(dòng)。箭頭隨機(jī)地、不連續(xù)地移動(dòng)著。

現(xiàn)在你看光子B以光速向相反方向移動(dòng)。它也有一個(gè)箭頭在隨機(jī)地移動(dòng)。奇怪的是，每當(dāng)光子A的箭頭移動(dòng)到別的地方時(shí)，光子B的箭頭就會(huì)瞬間移動(dòng)到相反的方向上。無論它們之間的距離有多少光年，箭頭都會(huì)彼此同步移動(dòng)。這就好像它們是一個(gè)粒子在兩個(gè)地方。

你能想象這種情況發(fā)生的唯一方法是它們以某種方式連接在一起，要么是通過一個(gè)允許瞬時(shí)通信的指導(dǎo)性波函數(shù)，要么是宇宙的本質(zhì)所包含的東西。

擴(kuò)展的位置性

假設(shè)我們?cè)倏匆幌挛恢眯?，并試圖擴(kuò)大我們對(duì)它的定義。從四維角度看光子。想象一下每個(gè)光子的路徑。兩者共同形成一個(gè)單一的結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)不是一個(gè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，而是一組線（稱為世界線）。有兩條線在光子成為糾纏的空間和時(shí)間上的一個(gè)點(diǎn)上相連。

假設(shè)這些世界線是真正的粒子，不是時(shí)間和空間的點(diǎn)，而是穿過時(shí)間和空間的線。而這些粒子能夠沿著這些世界線交流，回到它們的原點(diǎn)，回到時(shí)間中。如果是這樣的話，那么這些糾纏的粒子能夠 "瞬間 "分享信息也就說得通了，因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^時(shí)間進(jìn)行交流，沿著世界線調(diào)和它們的狀態(tài)。

如果我們把位置性定義為連接的世界線，而不是發(fā)生在點(diǎn)上的事件，那么糾纏就不再違反它了。而且，由于信息不能從光子A傳遞到光子B，它也不違反因果性。(你不能把信息送回過去或比光速快，因?yàn)閮蓚€(gè)光子共享的所有 "信息 "都是隨機(jī)的）。) 另一方面，兩條不相連的線不能被糾纏，除非它們被第三條線連接。

坍縮的位置性

然而，量子場(chǎng)理論將這些粒子表示為簡(jiǎn)單地輸入到一個(gè)跨越所有時(shí)間和空間的巨大的場(chǎng)集。這個(gè)場(chǎng)連接了宇宙中所有能夠相互作用的粒子。這意味著我們必須擴(kuò)大我們的世界線的概念，以包括場(chǎng)，但幸運(yùn)的是世界線是四維場(chǎng)的一維版本。因此，我們對(duì)位置性的定義仍然成立，但現(xiàn)在涵蓋了所有的時(shí)間和空間！這意味著我們必須擴(kuò)大我們的世界線概念，以包括場(chǎng)。

有了這個(gè)補(bǔ)充，作為一個(gè)概念，位置性就崩潰了，但所有東西都是位置性的。如果不進(jìn)一步修改量子場(chǎng)理論，它就變得毫無意義。

自由意志與位置性

在這個(gè)位置性的問題上有一個(gè)漏洞。量子理論表明，實(shí)驗(yàn)之間存在著相關(guān)性，這表明關(guān)于正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的信息正在被即時(shí)傳送。但是，如果宇宙在一開始就已經(jīng)知道這些實(shí)驗(yàn)和它們的結(jié)果呢？

超決定論認(rèn)為，這種奇怪的相關(guān)曲線是在大爆炸時(shí)所有物質(zhì)之間發(fā)生的相關(guān)關(guān)系的結(jié)果。物質(zhì)從來沒有不相關(guān)的，包括構(gòu)成你和我的物質(zhì)。信息的傳播速度不比光快。它一開始就在那里，因?yàn)槲覀冞x擇做的任何事情都是不確定的。

即使量子場(chǎng)理論看起來在每個(gè)時(shí)刻都連接著所有的時(shí)間和空間，那也是一種幻覺。時(shí)間和空間中的所有事物都是聯(lián)系在一起的，因?yàn)樗鼈兌际窃跁r(shí)間的開始就被預(yù)先確定的。

擴(kuò)展的現(xiàn)實(shí)主義

愛因斯坦不喜歡隨機(jī)性，但不幸的是，隨機(jī)性是量子物理學(xué)的核心所在。如果你把現(xiàn)實(shí)主義擴(kuò)展到包括隨機(jī)的波動(dòng)值，那么就不再有問題了。

量子數(shù)學(xué)告訴我們，粒子有一個(gè)描述其狀態(tài)的波函數(shù)，但沒人見過波函數(shù)。我們不妨假設(shè)粒子的狀態(tài)在傳播過程中是隨機(jī)波動(dòng)的。當(dāng)我們測(cè)量粒子時(shí)，這就像擲骰子。我們碰巧落在其中一個(gè)可能的數(shù)值上。

然而，為了使隨機(jī)性發(fā)揮作用，粒子的世界線又必須被調(diào)用。世界線作為一個(gè)整體是隨機(jī)的，而不是粒子從一個(gè)時(shí)間到另一個(gè)時(shí)間的狀態(tài)。這就是量子和經(jīng)典隨機(jī)性之間的區(qū)別。你可以想象拋出一組骰子，不是在光子傳播的每一刻，而是只拋一次，以確定光子從發(fā)射到探測(cè)的整個(gè)歷史。一旦這些骰子被拋出，光子在其整個(gè)歷史中可以有一個(gè)確定的狀態(tài)。

但是骰子是什么時(shí)候擲出的呢？是在你探測(cè)到光子的時(shí)候還是在宇宙的開始？在這兩者之間嗎？我們所測(cè)量的東西何時(shí)成為現(xiàn)實(shí)？

現(xiàn)實(shí)主義與自由意志

只要骰子是在發(fā)射時(shí)或發(fā)射前拋出的，我們就可以說現(xiàn)實(shí)主義肯定是恢復(fù)了。要做到這一點(diǎn)，粒子必須 "知道 "它將會(huì)發(fā)生什么。

如果骰子是在探測(cè)時(shí)而不是在發(fā)射時(shí)擲出，那么自由意志是可能的，但現(xiàn)實(shí)主義的基礎(chǔ)是不穩(wěn)固的。我們能說過去的東西基于未來的事件而成為現(xiàn)實(shí)嗎？這是一個(gè)比我們希望的更弱的現(xiàn)實(shí)主義定義，因?yàn)樗馕吨诠庾颖惶綔y(cè)到之前，沒有現(xiàn)實(shí)。

到了量子場(chǎng)理論，我們把一維世界線擴(kuò)展到四維場(chǎng)。由于場(chǎng)相互作用的方式，我們最終發(fā)現(xiàn)整個(gè)宇宙的過去和未來都是隨機(jī)的、相互聯(lián)系的，包括我們。

現(xiàn)在，我們沒有辦法擺脫它了。每一個(gè)觀察和測(cè)量都是在大爆炸時(shí)預(yù)先確定的，但真實(shí)的或只有在時(shí)間的盡頭才確定。生活可能對(duì)你來說是真實(shí)的，但是，如果你想要自由意志，你必須把現(xiàn)實(shí)交易掉，讓你的生活成為一場(chǎng)夢(mèng)，直到每個(gè)粒子的每一次互動(dòng)都得到解決。

結(jié)論

還有其他避免自由意志問題的解釋，但它們涉及額外的維度或宇宙。如果我們能找到這些證據(jù)，這可能會(huì)回答一些深刻的哲學(xué)以及科學(xué)問題。

另一個(gè)驚人的結(jié)論是，我們可能已經(jīng)理解了量子理論。我們只是不愿意接受這種暗示。如果我們有自由意志，量子理論就沒有意義了。如果現(xiàn)實(shí)是超決定的，那么量子理論確實(shí)有意義，愛因斯坦的位置性和現(xiàn)實(shí)主義得到恢復(fù)，但我們沒有自由意志。

相信什么是你的選擇。但話說回來，也許不是這樣的。