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陈思进:科学中最奇特的现象量子纠缠——再说微观量子世界的基本概念

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发表于 2018-8-12 18:11:28 | 显示全部楼层 |阅读模式
  上一篇文章《说说微观量子世界的基本概念》(《科普时报》2018年05月11日第03版),试图用最浅显的语言介绍量子叠加态,接下来这篇文章想谈一下量子力学中的另一现象,可谓是科学中最奇特的现象——The God Effect(上帝效应)——量子纠缠。

  话说1935年,爱因斯坦和博士后罗森、研究员波多尔斯基发表了简称“EPR”的论文(以三个人名字的第一个字母命名,就是后来著名的“EPR佯谬”的来源),试图借着一个思想实验来论述量子力学的不完备性。

  薛定谔在看了“EPR”论文之后,用德文写了一封信给爱因斯坦,在那封信里,他最先使用了术语Verschr?nkung,随即,他自己将之翻译为Quantum entanglement(量子纠缠)。不久,量子纠缠这个词儿便传了开来。

  量子纠缠最初是从量子力学的预测方程式而来,是指两颗粒子接近时可以发生一种彼此纠缠的关系。最为神奇的是即使它们被分开,而且无论分开得多么遥远,它们依然好似纠缠在一起,密不可分。

  要想了解这种现象究竟有多怪异,让我们先从电子的一个特色——自旋——开始谈起。

  看到“自旋”这两个字,好些读者可能想起花样溜冰中运动员旋转的动作,那当然是不一样的,要是一样的话,就不奇特了。

  正如上文提到的量子不确定性,电子的自旋和其它的量子特性一样,在被测量的那一刻之前,它们的状态一般都是模糊而不确定的。但只要你一旦观察(或被观察了)了它就会发现,它要么以顺时针方向转动,要么以逆时针方向转动,就像赌场里那种旋转轮盘的轮盘赌一样,最后会随机指向一个区间。

  科学中最奇特的现象量子纠缠——再说微观量子世界的基本概念

  再用上文中那个量子世界中的酒吧为例来说明。

  假设那个量子酒吧里有一模一样的两个旋转轮盘,轮盘分成同等数量、面积同等大小的红色和蓝色区间。当指针转动之后,最后会随机指向红色或蓝色。现在,我们假设量子酒吧里这两个轮盘的表现就像两个纠缠的电子一样。那么,每次只要一个轮盘的指针停在红色区域上,另一个轮盘的指针就一定会停在蓝色区域中,反之亦然。

  既然这两个轮盘并未相连,那这种现象若在宏观世界中,就的确不可思议了,只有变魔术的才有可能做到这一点。然而在量子世界中,试验证明就是如此。

  而且,更为夸张的是,即使这两具轮盘相距遥远,哪怕其中一具轮盘搬到月亮上,其中没有任何东西将它们相连,只要一个轮盘指着红色,那么另一个轮盘保证指着蓝色。

  换句话说,如果你测量(或被观测)两个纠缠着的粒子的其中一个,你影响的不只是这一个粒子,这个测量的行为也会影响它的纠缠伙伴,不管两者距离有多远,结果都一样。

  对于这种无论在轮盘还是粒子之间的诡异的远距离连带关系,别说对于我们普通读者显得太过荒唐可笑,就连最伟大的物理学家、相对论的创始人、量子力学的创始人之一爱因斯坦,最初听到这种现象的时候,第一反应是:“超距幽灵作用”。潜台词是:不可能的!

  爱因斯坦认为,这只是数学上看起来的诡异,应该还有更简单的解释可以说明它们是如何连接的,而根本不是什么神秘的“运距离联系关系”。他说,纠缠的粒子其实就好像是一付手套。想象有人把这两只手套分开,各自放进两个箱子里,然后有人把其中一个箱子带来给我,把另一个箱子寄到南极。

  在我还没有打开箱之前,我就知道里面不是左手就是右手的手套。等我一打开箱子,如果发现里面是左手的手套,那同时,我就会知道南极的那只箱子里一定是右手的手套,尽管没有人打开那只箱子朝里面瞧。这件事完全没有什么神秘性可言,显然在我看清这口箱子的内容物时,并不会对任何一只手套有所影响。这只箱子装的一直都是左手手套,南极的箱子也一直装着右手手套。从两只手套分开打包的那一刻,就已经决定了结果。

  爱因斯坦认为这对手套的例子,也适用于纠缠的粒子,即不管电子的组态如何,一定是在它们分开的那一刻,就已经决定好了。也就是说,根本就不存在什么量子纠缠。

  爱因斯坦于1955年去世,他去世之前仍然坚信整个量子力学充其量只能对现实世界提供不完备的描述,就别说量子纠缠了。

  但是,即使爱因斯坦反对,以物理学家玻尔为代表的哥本哈根学派依然坚称,对于纠缠着的量子而言,只要你测量(或被观测)其中一个粒子时,就会影响另一个粒子的状态,就会改变了它的状态。尽管二者之间没有可以彼此连接的东西、没有任何能够联络的方式,一边的选择,就是可以对那边造成影响。这虽然听上相当诡异,但却是客观现实。

  这个问题又悬而未决了12年(其间1962年11月18日,和爱因斯坦在量子力学问题上互掐了几十年的老哥们儿玻尔也去世了)。转眼到了1967年,一个物理学新手,即将获得哥伦比亚大学天体物理学博士学位的约翰?克劳泽,接棒爱因斯坦挑战量子力学的使命。他准备用事实(物理实验)来证明量子纠缠现象是错的,不存在的。

  一个物理界的新手有可能挑战成功吗?篇幅有限,下文详谈吧。

  2018年5月20日写于多伦多

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