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量子糾纏究竟是什么？

——貝爾不等式和貝爾實驗的物理機制探討

呂陳君

　　 “量子糾纏”這個假設(shè)，源于1935年愛因斯坦和兩位合作者提出的EPR思想實驗，他是想以此來反駁玻爾。因為根據(jù)玻爾的量子力學(xué)詮釋，一個大粒子衰變成兩個小粒子a和b，它們在分開后仍屬于一個關(guān)聯(lián)整體，當(dāng)我們觀測到a的矢量態(tài)為正時，那么在此瞬間，b就會立即坍塌成負的矢量態(tài)，但在觀測前，談?wù)揳、b的矢量態(tài)是沒有意義的。愛因斯坦反對這種觀點，他認為a、b分開后就完全沒有關(guān)聯(lián)了，其矢量態(tài)都是各自確定的，我們對a的觀測完全不會影響到對b的觀測，怎么可能在觀測a的同時，b的狀態(tài)會瞬間發(fā)生改變呢？愛因斯坦把玻爾的這種詮釋稱之為“幽靈般的超距離作用”，這就是“量子糾纏”這個假設(shè)的由來，它成為飄蕩在20世紀物理學(xué)上空的一個幽靈。

　　 1964年，愛爾蘭物理學(xué)家J.S.貝爾對EPP思想實驗進行了改進，使之變成一個真正可以操作并檢測的實驗。因為，我們在兩個不同的方向a、b上來觀測關(guān)聯(lián)粒子的矢量態(tài)時，其實不可能去做單個粒子行為的相關(guān)性觀測，而只能做大量粒子行為的統(tǒng)計學(xué)觀測。譬如，我們在方向a上觀測到粒子的矢量態(tài)為正，同時在相反方向b上觀測到粒子的矢量態(tài)也為正，這兩者之間就存在著一個正相關(guān)概率函數(shù)P(a，b)，貝爾證明了：如果愛因斯坦對，不存在量子糾纏，那么P(a，b)≤2；如果玻爾對，存在量子糾纏，那么P(a，b)≤2就不成立。（實際上，這里是簡化版的CHSH貝爾不等式，由四位美國科學(xué)家提出，其具體的推導(dǎo)就不講了。）

　　 但后來的實驗結(jié)果都非常明顯地表明：貝爾不等式不成立。人們就不得不承認：“量子糾纏”這個假設(shè)是對的，愛因斯坦錯了。也就是說，愛因斯坦認為兩個粒子分開后就不再關(guān)聯(lián)的這個“定域性假設(shè)”錯了，而玻爾認為兩個粒子分開后還繼續(xù)保持著整體性關(guān)聯(lián)的這個“非定域性假設(shè)”反倒是對的。這個結(jié)果可以說是出乎大家意料的，因為貝爾的本意是想證明玻爾錯了。但“非定域性”這個概念很不好理解，所以才出現(xiàn)了那么多稀奇古怪的解釋，至今仍未有統(tǒng)一的意見。

　　 非定域性跟“一個光子同時通過兩條縫”是一致的，違反了矛盾律，這就導(dǎo)致了理解上的嚴重困難。人們一旦陷入“量子糾纏”這種詭譎怪異的物理想象中，就會推導(dǎo)出許多匪夷所思的理論結(jié)果來，至少人們在經(jīng)驗上都還無法予以理解或證實。如果有人聲稱科學(xué)就是超經(jīng)驗的，甚至神秘的，那我們就無話可說了，但作為真正的科學(xué)精神來說，就是要把宇宙奧秘轉(zhuǎn)變成可理解的知識，既要符合邏輯，又要符合經(jīng)驗，這是科學(xué)探索的永恒精神源泉。

　　 一旦理論上出現(xiàn)自相矛盾的結(jié)果，而且千方百計也無法解決時，我們就需要回過頭去，重新去審察建立理論時賴以所需的基本假設(shè)是否出了問題，或者是否還有什么更深層次的涵義。我們重新來考察一下貝爾不等式的推導(dǎo)，它其實是基于兩條假設(shè)：

　　 對稱性假設(shè)：兩個關(guān)聯(lián)粒子a、b分開后，其矢量態(tài)分布是對稱的，即若觀察到a的矢量態(tài)為正時，記作|a>=+1，b的矢量態(tài)必為負，記作|b>=-1，且疊加態(tài)|(a，b)>≡0，反之亦然。

　　 定域性假設(shè)：兩個關(guān)聯(lián)粒子a、b分開后就不再相關(guān)，即對a的測量絕不會影響到對b的測量，反之亦然。

　　 在EPR和貝爾不等式的推導(dǎo)中，上述兩個假設(shè)都是隱性公理。更直觀地講，對稱性假設(shè)就是指：當(dāng)兩個關(guān)聯(lián)粒子a、b分開的瞬間，它們都朝著完全相反的方向飛去，其夾角θ=180o?，F(xiàn)在實驗結(jié)果違反了貝爾不等式，人們認為就是定域性假設(shè)錯了，可為什么不想想：定域性假設(shè)沒錯，而是對稱性假設(shè)錯了呢？也就是說，a、b分開的瞬間是非對稱性的，即其夾角θ≠180o。只要θ≠180o，那么P(a，b)的計算也會完全符合量子力學(xué)方程，根本用不著引入非定域性這個很難解釋的概念。

　　 我們再來詳細分析貝爾實驗，其基本方法就是：用激光去照射某種金屬，讓其核外電子發(fā)生“原子級聯(lián)”躍遷，譬如一個電子e受到激發(fā)，從能級E1躍遷到能級E3，當(dāng)能量回落時，e就連續(xù)下降兩個能級而輻射出兩個關(guān)聯(lián)光子v1、v2，然后，我們在相隔較遠的不同方向上接收這兩個光子，并對它們的矢量狀態(tài)（譬如自旋）進行測量。

　　 大家都想當(dāng)然地認為：v1、v2從原子內(nèi)部輻射出來，在它們分開的那一瞬間，就會沿著完全相反的兩個方向飛去，這顯然就是對稱性假設(shè)。但是，人們在此完全忽視了一個事實：受激發(fā)的電子e和輻射出來的兩個光子v1、v2，這三者才構(gòu)成一個完整的關(guān)聯(lián)體系，也就是說，疊加態(tài)

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