量子糾纏究竟是什么？

——貝爾不等式和貝爾實(shí)驗(yàn)的物理機(jī)制探討

呂陳君

　　 “量子糾纏”這個(gè)假設(shè)，源于1935年愛(ài)因斯坦和兩位合作者提出的EPR思想實(shí)驗(yàn)，他是想以此來(lái)反駁玻爾。因?yàn)楦鶕?jù)玻爾的量子力學(xué)詮釋，一個(gè)大粒子衰變成兩個(gè)小粒子a和b，它們?cè)诜珠_(kāi)后仍屬于一個(gè)關(guān)聯(lián)整體，當(dāng)我們觀測(cè)到a的矢量態(tài)為正時(shí)，那么在此瞬間，b就會(huì)立即坍塌成負(fù)的矢量態(tài)，但在觀測(cè)前，談?wù)揳、b的矢量態(tài)是沒(méi)有意義的。愛(ài)因斯坦反對(duì)這種觀點(diǎn)，他認(rèn)為a、b分開(kāi)后就完全沒(méi)有關(guān)聯(lián)了，其矢量態(tài)都是各自確定的，我們對(duì)a的觀測(cè)完全不會(huì)影響到對(duì)b的觀測(cè)，怎么可能在觀測(cè)a的同時(shí)，b的狀態(tài)會(huì)瞬間發(fā)生改變呢？愛(ài)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(gè)假設(shè)的由來(lái)，它成為飄蕩在20世紀(jì)物理學(xué)上空的一個(gè)幽靈。

　　 1964年，愛(ài)爾蘭物理學(xué)家J.S.貝爾對(duì)EPP思想實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，使之變成一個(gè)真正可以操作并檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)。因?yàn)?，我們?cè)趦蓚€(gè)不同的方向a、b上來(lái)觀測(cè)關(guān)聯(lián)粒子的矢量態(tài)時(shí)，其實(shí)不可能去做單個(gè)粒子行為的相關(guān)性觀測(cè)，而只能做大量粒子行為的統(tǒng)計(jì)學(xué)觀測(cè)。譬如，我們?cè)诜较騛上觀測(cè)到粒子的矢量態(tài)為正，同時(shí)在相反方向b上觀測(cè)到粒子的矢量態(tài)也為正，這兩者之間就存在著一個(gè)正相關(guān)概率函數(shù)P(a，b)，貝爾證明了：如果愛(ài)因斯坦對(duì)，不存在量子糾纏，那么P(a，b)≤2；如果玻爾對(duì)，存在量子糾纏，那么P(a，b)≤2就不成立。（實(shí)際上，這里是簡(jiǎn)化版的CHSH貝爾不等式，由四位美國(guó)科學(xué)家提出，其具體的推導(dǎo)就不講了。）

　　 但后來(lái)的實(shí)驗(yàn)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(rèn)：“量子糾纏”這個(gè)假設(shè)是對(duì)的，愛(ài)因斯坦錯(cuò)了。也就是說(shuō)，愛(ài)因斯坦認(rèn)為兩個(gè)粒子分開(kāi)后就不再關(guān)聯(lián)的這個(gè)“定域性假設(shè)”錯(cuò)了，而玻爾認(rèn)為兩個(gè)粒子分開(kāi)后還繼續(xù)保持著整體性關(guān)聯(lián)的這個(gè)“非定域性假設(shè)”反倒是對(duì)的。這個(gè)結(jié)果可以說(shuō)是出乎大家意料的，因?yàn)樨悹柕谋疽馐窍胱C明玻爾錯(cuò)了。但“非定域性”這個(gè)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(jiàn)。

　　 非定域性跟“一個(gè)光子同時(shí)通過(guò)兩條縫”是一致的，違反了矛盾律，這就導(dǎo)致了理解上的嚴(yán)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(huì)推導(dǎo)出許多匪夷所思的理論結(jié)果來(lái)，至少人們?cè)诮?jīng)驗(yàn)上都還無(wú)法予以理解或證實(shí)。如果有人聲稱科學(xué)就是超經(jīng)驗(yàn)的，甚至神秘的，那我們就無(wú)話可說(shuō)了，但作為真正的科學(xué)精神來(lái)說(shuō)，就是要把宇宙奧秘轉(zhuǎn)變成可理解的知識(shí)，既要符合邏輯，又要符合經(jīng)驗(yàn)，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(jì)也無(wú)法解決時(shí)，我們就需要回過(guò)頭去，重新去審察建立理論時(shí)賴以所需的基本假設(shè)是否出了問(wèn)題，或者是否還有什么更深層次的涵義。我們重新來(lái)考察一下貝爾不等式的推導(dǎo)，它其實(shí)是基于兩條假設(shè)：

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

　　 定域性假設(shè)：兩個(gè)關(guān)聯(lián)粒子a、b分開(kāi)后就不再相關(guān)，即對(duì)a的測(cè)量絕不會(huì)影響到對(duì)b的測(cè)量，反之亦然。

　　 在EPR和貝爾不等式的推導(dǎo)中，上述兩個(gè)假設(shè)都是隱性公理。更直觀地講，對(duì)稱性假設(shè)就是指：當(dāng)兩個(gè)關(guān)聯(lián)粒子a、b分開(kāi)的瞬間，它們都朝著完全相反的方向飛去，其夾角θ=180o。現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)結(jié)果違反了貝爾不等式，人們認(rèn)為就是定域性假設(shè)錯(cuò)了，可為什么不想想：定域性假設(shè)沒(méi)錯(cuò)，而是對(duì)稱性假設(shè)錯(cuò)了呢？也就是說(shuō)，a、b分開(kāi)的瞬間是非對(duì)稱性的，即其夾角θ≠180o。只要θ≠180o，那么P(a，b)的計(jì)算也會(huì)完全符合量子力學(xué)方程，根本用不著引入非定域性這個(gè)很難解釋的概念。

　　 我們?cè)賮?lái)詳細(xì)分析貝爾實(shí)驗(yàn)，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(jí)聯(lián)”躍遷，譬如一個(gè)電子e受到激發(fā)，從能級(jí)E1躍遷到能級(jí)E3，當(dāng)能量回落時(shí)，e就連續(xù)下降兩個(gè)能級(jí)而輻射出兩個(gè)關(guān)聯(lián)光子v1、v2，然后，我們?cè)谙喔糨^遠(yuǎn)的不同方向上接收這兩個(gè)光子，并對(duì)它們的矢量狀態(tài)（譬如自旋）進(jìn)行測(cè)量。

　　 大家都想當(dāng)然地認(rèn)為：v1、v2從原子內(nèi)部輻射出來(lái)，在它們分開(kāi)的那一瞬間，就會(huì)沿著完全相反的兩個(gè)方向飛去，這顯然就是對(duì)稱性假設(shè)。但是，人們?cè)诖送耆鲆暳艘粋€(gè)事實(shí)：受激發(fā)的電子e和輻射出來(lái)的兩個(gè)光子v1、v2，這三者才構(gòu)成一個(gè)完整的關(guān)聯(lián)體系，也就是說(shuō)，疊加態(tài)

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