 要理解什么是量子糾纏，我們必須回到這個問題的源頭，那就是 1935 年 5 月，愛因斯坦同兩位年輕的美國物理學(xué)家波多爾斯基和羅森在美國《物理評論》47 期發(fā)表了題為《能認(rèn)為量子力學(xué)對物理實在的描述是完備的嗎？》的論文，在物理學(xué)界、哲學(xué)界引起了巨大的反響。 這篇論文提出了一個名垂千古的思維實驗，以論文的三位聯(lián)合作者的首字母命名，稱為“EPR 實驗”。正如這篇論文的標(biāo)題所表達(dá)的意思那樣，愛因斯坦想用這個思維實驗來告訴物理界，以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派的量子力學(xué)解釋是有問題的。 到底什么是EPR實驗，如果我用愛因斯坦的原始論文來講解，會非常困難，但這個實驗原理經(jīng)過這么多年的發(fā)展，已經(jīng)有了一個更加通俗易懂的等價版本，理解起來會比愛因斯坦的原始論文容易的多。 首先，我們要理解一個基本概念，就是電子的“角動量”。什么是角動量呢？最常見的比喻就是花樣滑冰中的旋轉(zhuǎn)動作。運(yùn)動員把自己抱的越緊，就轉(zhuǎn)的越快，物理原因就是角動量守恒。所以，僅僅從理解概念的角度，我們可以很粗糙地認(rèn)為，角動量就是轉(zhuǎn)動掃過的圓面積和轉(zhuǎn)速的乘積，是一個固定的值，面積變小了，速度就必須增大。 按照普適的物理法則，電子與原子核構(gòu)成的總角動量也是守恒的，但是，物理學(xué)家們在實驗中發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，這個系統(tǒng)的角動量總是會丟失一部分，這個就很奇怪了，難道在微觀世界，連角動量也不守恒了。后來發(fā)現(xiàn)，守恒定律并沒有被打破，而是電子自身也有角動量，整個系統(tǒng)丟失的角動量其實轉(zhuǎn)移到了電子身上，總的角動量依然是守恒的。因為角動量跟旋轉(zhuǎn)有關(guān)，所以物理學(xué)家們就把電子的角動量稱為“自旋”。但我必須強(qiáng)調(diào)一句，雖然叫做自旋，但真實的電子并不是像陀螺一樣繞著一個軸旋轉(zhuǎn)。那它到底是怎么個轉(zhuǎn)法？對不起，真的沒法描述，說實話，物理學(xué)家也不知道，量子世界的很多東西都是只能意會無法言傳，就像波粒二象性。我們只是在實驗中發(fā)現(xiàn)電子有角動量，然后給電子的這個特性起了個形象化的名稱叫“自旋”，僅此而已。 科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，電子的自旋態(tài)只有兩個自由度。在量子理論中，說不清道不明的概念實在是一堆一堆的。我只能試圖用下面這個比喻來說明這個自由度是啥意思。 假如把這個旋轉(zhuǎn)的滑冰者比喻成一個電子，那么，不論我們朝哪個方向去觀察它，都只能看到兩種結(jié)果中的一種，要么頭對著我們，要么腳對著我們，不可能看到其他情況。這個大概就是電子只有兩個自由度的概念。 大家都知道，我們的空間是一個三維的空間，也就是說空間中有三個互相垂直的方向，我們把他稱為 X、Y、Z。 為了語言上描述的方便，現(xiàn)在我們來做一個人為的規(guī)定，假如我們從Y軸方向去觀察一個電子，那么電子就只有兩種自旋態(tài)，一種我們叫上自旋，另一種我們叫下自旋。總之，電子的自旋態(tài)只有兩個自由度，雖然很奇怪，但確實是實驗觀察的結(jié)果。假如我們從X軸方向去觀察一個電子，那么我們就把它的兩個自由度叫做左自旋或者右自旋。如果從Z軸方向去觀察，那么我們就叫前自旋或者后自旋。請注意，這些上下左右前后僅僅是我們?yōu)榱嗣枋龇奖愣鸬拿?，并不是真正的有這些上下左右的方向，如果我們用 abcd 來指代也是完全可以的。 接下去，物理學(xué)家又發(fā)明了一個裝置，稱之為偏振器，它可以對電子進(jìn)行篩選，比如，只允許上自旋的電子通過，或者只允許左自旋的電子通過，真實的偏振器長這個樣子。 下面的這張照片是我國最著名的量子通信專家潘建偉和他實驗室，他面前的那些令人頭暈?zāi)垦５膹?fù)雜設(shè)備，基本上都是各種各樣的偏振器。（說明：這些其實是光偏振器） 為了我講解的方便，我把偏振器抽象成這個樣子： 箭頭向上的偏振器，表示只允許向上自旋的電子通過，箭頭向左就表示只允許向左自旋的電子通過，這個很好理解吧？接下去，我們開始做物理實驗： 讓一個電子飛向 1 號偏振器，這是一個上自旋的偏振器，如果電子通過去了，說明這個電子是上自旋的。然后，在這個 1 號偏振器后面再放一個 2 號偏振器，這個偏振器是一個右自旋偏振器，如圖： 讓飛過 1 號偏振器的電子繼續(xù)朝下一個 2 號右偏振器飛，請記住，上自旋的電子有一半是左自旋，有一半是右自旋，這時候，電子有 50% 的概率能通過 2 號偏振器，實驗做 100 次，大約飛過去 50 個，次數(shù)越多，就越準(zhǔn)確。 下面，我們就要見證令人頗感意外的關(guān)鍵實驗了，我們在后面再放一個 3 號偏振器，這是一個與 1 號偏振器一模一樣的上自旋偏振器： 大家覺得，這個電子能不能飛過去呢？別忘了這個電子可是被我們篩選出來的上自旋的電子啊。按照地球人的正常邏輯，這個電子應(yīng)該百分之一百的通過下一個上自旋偏振器，對嗎？ 可能大家已經(jīng)想到了，量子的世界永遠(yuǎn)不按常理出牌，實驗的結(jié)果是，這個電子仍然只有 50% 的概率通過下一個偏振器。 我們安靜 10 秒鐘，給大家回味一下，想想這意味著什么？ 它意味著：不可能在兩個不同的方向同時測準(zhǔn)電子的自旋態(tài) 物理學(xué)家們在實驗室中千百次地證實了這個現(xiàn)象，怎么會這樣呢？ 以愛因斯坦為首的一派做出了一個解釋，我相信這個解釋可能符合我們大多數(shù)人對世界的看法：這是因為我們的測量行為本身影響了電子的自旋態(tài)。也就是說，當(dāng)電子通過 2 號偏振器時，這個偏振器已經(jīng)隨機(jī)改變了電子在 Y 軸方向的自旋態(tài)。 但是，以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派卻不同意愛因斯坦的觀點(diǎn)，他們堅持認(rèn)為：電子本身不存在確定的自旋態(tài)，在測量之前，電子處在所有自旋態(tài)的疊加狀態(tài)，去追問到底是哪個態(tài)，對不起，這個問題沒有意義！沒有意義！沒有意義！重要的觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)三遍。 愛因斯坦聽到玻爾的解釋，那是當(dāng)場被氣樂了，居然還有這樣的解釋。但是玻爾一臉的認(rèn)真相，回應(yīng)說有本事你證明我錯了啊。 我現(xiàn)在想請問大家，如果回到 80 多年前，你們會站在哪一邊？誠實地回答我。我覺得，站在玻爾這邊的人要么是不誠實，要么是被埋沒的物理天才。愛因斯坦和玻爾為了這個問題吵的不可開交，他們在索爾維會議上公開辯論，針鋒相對，這成了物理學(xué)史上的一段佳話。 當(dāng)時間走到了 1935 年 5 月，愛因斯坦和他的兩個學(xué)生波多爾斯基和羅森一起向哥本哈根學(xué)派放出了一個大招，那絕對是一個超級大招，這個大招史稱為EPR悖論，也可以戲稱為“愛菠蘿悖論”，也就是我剛開始提到的那篇論文。讓我們來看看這個愛菠蘿大招到底是什么大招。 這個大招就是一個思想實驗。愛因斯坦說，首先，我們在實驗室中制備一對角動量總和為零的電子對，這個在理論上是有可能實現(xiàn)的，具體怎么制備的方法我們暫且不用去深究。繼續(xù)聽下去之前，請大家先記住一個最基本的物理定律：角動量守恒。 然后，我們把這一對電子擊碎，讓他們分離。我們可以打一個比方來幫助你想象，我們在一個玻璃球的中心放一點(diǎn)火藥，然后砰的一下把它們給炸開。剛好炸成了兩個碎塊，這兩個碎塊如果一個逆時針旋轉(zhuǎn)的，那么另一個一定是順時針旋轉(zhuǎn)，理由就是角動量守恒，這是本宇宙的基本法則，不管在微觀世界還是宏觀世界，這個法則都是成立的?，F(xiàn)在我們讓這一對原本角動量守恒的電子分開，為了描述方便，我們把這兩個電子分別叫做紅電子和藍(lán)電子，藍(lán)電子朝左邊飛，紅電子朝右邊飛，讓他們分離的足夠遠(yuǎn)，比如說一個飛到上海，一個飛到北京吧。 我們在北京和上海各放一個偏振器，北京的偏振器是右自旋的，上海的偏振器是上自旋的： 現(xiàn)在，假設(shè)，兩個電子都通過了偏振器，那么，說明紅電子是上自旋，根據(jù)角動量守恒定律，可知藍(lán)電子必是下自旋。而藍(lán)電子通過了右偏振器，說明藍(lán)電子是右自旋，根據(jù)角動量守恒定律，紅電子必然是左自旋。 這樣一來，我們不就確定了紅藍(lán)電子在兩個方向上的自旋態(tài)了嗎？即便紅藍(lán)電子都沒通過偏振器，或者一個通過一個不通過，也不要緊，可以用相同的邏輯推斷出每個電子在兩個方向上的自旋態(tài)。 而玻爾的量子理論不是說：不可能在兩個不同的方向同時確定電子的自旋態(tài)嗎？ 現(xiàn)在，紅藍(lán)電子在兩個方向上的自旋態(tài)不都確定下來了嗎？唯一的解釋就是紅藍(lán)電子在分離的那一瞬間，它們在兩個方向上的自旋態(tài)就已經(jīng)確定了。可見，不是電子有什么神奇的疊加自旋態(tài)，測不準(zhǔn)原理就是因為測量行為本身干擾了電子的自旋態(tài)，只要我們不去測量，他們的自旋態(tài)還是確定的！ 這個大招太厲害了！如果你聽懂了我前面的描述，我想再次誠懇地問剛才站在玻爾這邊的聽眾，你們是否還認(rèn)為愛因斯坦是錯的呢？ 1935 年，整個物理學(xué)界都被愛菠蘿悖論掀起了軒然大波，有一大波中間派的物理學(xué)家們開心壞了，他們就等著看熱鬧，就想看看玻爾、海森堡這些哥本哈根學(xué)派的大牛們怎么應(yīng)對愛因斯坦的大招。 玻爾一看到EPR悖論的論文，頭都大了，他立即放下所有的工作，全力迎戰(zhàn)，思考了三天，終于寫下了一篇反擊論文，論文的題目居然和愛因斯坦的論文標(biāo)題一模一樣，明擺著跟他懟，玻爾在這篇論文中的主要觀點(diǎn)是： EPR 論文看上去環(huán)環(huán)相扣，邏輯嚴(yán)密，但是，我玻爾還是給你挑出了一個毛病。在愛因斯坦的整個邏輯鏈中，有一個關(guān)鍵性的假設(shè)，那就是，測量紅電子的行為不會影響藍(lán)電子，測量藍(lán)電子不會影響紅電子。但是，這是錯誤的，因為紅藍(lán)電子處于一種神奇的量子糾纏態(tài)中，不論他們離的有多遠(yuǎn)，哪怕一個在宇宙的這頭，一個在那頭，只要對其中一個進(jìn)行測量，立即就會干擾另外一個。 愛因斯坦一聽這話，被氣得樂了，好嘛，玻爾你的意思是不是說紅藍(lán)電子有超距作用，換句話說，它們能夠進(jìn)行超光速的通信，一個被測量了，另一個瞬間知道。來來來，你先來推翻我的相對論先，大家知道，在相對論中，任何信息和能量的傳遞速度無法超過光速。 玻爾說，對不起，愛因斯坦前輩，我不是這個意思，我沒有說你的相對論不對，我也沒有說紅藍(lán)電子可以進(jìn)行超光速通信，我只是說，紅藍(lán)電子是一個整體，他們的自旋態(tài)在沒有測量前不是一個客觀實在，不是一個客觀實在，不是一個客觀實在，重要的話說三遍。 愛因斯坦聽完徹底被氣暈了，說你這解釋還不如超光速呢，這叫什么解釋，什么叫不是客觀實在，在物理學(xué)上，居然還存在不是客觀實在的屬性？愛因斯坦是拼命地?fù)u頭，他對玻爾太失望了。他們一直到死，誰也沒有說服誰。 一個電子的物理性質(zhì)到底具不具備客觀實在性呢？那什么又是客觀實在呢？這些問題似乎已經(jīng)到了哲學(xué)的范疇。但是，我敢保證，如果人類只有哲學(xué)思辨，那么永遠(yuǎn)也吵不出一個結(jié)果。好在，我們還有數(shù)學(xué)，還有科學(xué)。只有科學(xué)能給出確定的答案。這個問題到底怎么破？咱們把懸念留到下一期 兩點(diǎn)說明：
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