量子巔峰對(duì)決：這次愛(ài)因斯坦還是沒(méi)懂！

出品：科普中國(guó)

作者：欒春陽(yáng)（清華大學(xué)物理系）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

在上回故事中，我們回顧了以愛(ài)因斯坦為代表的量子物理學(xué)派，和以波爾為代表的經(jīng)典物理學(xué)派的理論，并且感受到了第一次量子巔峰對(duì)決的精彩。

愛(ài)因斯坦堅(jiān)信經(jīng)典物理學(xué)中樸素的哲學(xué)觀點(diǎn)，即物理世界應(yīng)該是“確定性”的，并且物理規(guī)律也必須遵循嚴(yán)格的“實(shí)在性”和“局域性”。而波爾則強(qiáng)調(diào)，微觀世界不應(yīng)該再用宏觀世界中的經(jīng)典物理理論進(jìn)行描述，而是需要采用量子力學(xué)中的“概率性”。因此，我們不能再?gòu)慕?jīng)典物理的角度出發(fā)，來(lái)思考微觀的量子世界的奇妙事件。

量子“波函數(shù)”示意圖

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

雖然在第一次量子巔峰對(duì)決中，愛(ài)因斯坦身處的經(jīng)典物理學(xué)派并沒(méi)有占到上風(fēng)。然而，愛(ài)因斯坦靈機(jī)一動(dòng)，準(zhǔn)備從他更擅長(zhǎng)的狹義相對(duì)論出發(fā)，來(lái)向波爾發(fā)起第二次更加精彩的量子巔峰對(duì)決！

愛(ài)因斯坦：我就不信，誰(shuí)能比我更懂狹義相對(duì)論？

雖然早在1921年，愛(ài)因斯坦就因?yàn)榻鉀Q了光電效應(yīng)的問(wèn)題，而榮獲當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是，愛(ài)因斯坦更為世人所熟知的科學(xué)成就，卻是他提出的狹義相對(duì)論原理。

狹義相對(duì)論中“時(shí)光錐”的示意圖

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

可以說(shuō)，狹義相對(duì)論是愛(ài)因斯坦最擅長(zhǎng)，也是最滿意的理論之一。雖然狹義相對(duì)論的理論十分深?yuàn)W和復(fù)雜，但是我們不必處處深究其推導(dǎo)和論證過(guò)程，只需要知道其中最為重要的一點(diǎn)即可。

那就是，光速是宇宙中最快的速度，任何信息傳遞的速度都不可能超過(guò)光速。因此，愛(ài)因斯坦十分肯定地強(qiáng)調(diào)，對(duì)于兩個(gè)相距很遠(yuǎn)的物體，它們之間傳遞信息的最快速度不可能超過(guò)光速。

EPR佯謬——經(jīng)典物理學(xué)派的第二次挑戰(zhàn)

大家還記得量子糾纏的含義嗎？之前我們說(shuō)到，在量子力學(xué)的理論體系中，當(dāng)一對(duì)微觀粒子在相互作用后，無(wú)論這相距多遠(yuǎn)，其中一個(gè)微觀粒子的變化都會(huì)立即導(dǎo)致另外一個(gè)微觀粒子也發(fā)生改變。從我們身處的宏觀世界角度來(lái)看，這對(duì)處于量子糾纏的微觀粒子，無(wú)論相距多遠(yuǎn)，似乎總是存在一種瞬間的信息溝通。

然而，根據(jù)狹義相對(duì)論中的核心觀點(diǎn)，即“光速是宇宙中最快的速度”，這對(duì)處于量子糾纏狀態(tài)的微觀粒子之間，就不可能存在超光速的瞬間信息溝通。因此，量子糾纏這一概念一定是錯(cuò)誤的。

于是在1935年，愛(ài)因斯坦（Einstein）找到了兩位得力的幫手，分別是波多爾斯基（Podolsky）和羅森（Rosen）。他們兩位和愛(ài)因斯坦合作，組建了一支以他們?nèi)豢茖W(xué)家名字首字母為組合的“EPR挑戰(zhàn)團(tuán)”，準(zhǔn)備發(fā)起經(jīng)典物理學(xué)派的第二次挑戰(zhàn)。

愛(ài)因斯坦,波多爾斯基和羅森

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

他們?nèi)惶岢隽艘粋€(gè)絕妙的思想實(shí)驗(yàn)。這次他們有充足的自信可以勝利，因?yàn)榧热华M義相對(duì)論是對(duì)的，那么量子糾纏就是不存在的。這個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)，也被稱為“EPR佯謬”。

1935年，《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道的“EPR佯謬”頭條新聞

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

EPR佯謬的實(shí)驗(yàn)設(shè)想是這樣的：假如地球上的某個(gè)不穩(wěn)定的大粒子發(fā)生衰變，那么衰變的大粒子就會(huì)生成A和B兩個(gè)小粒子，并且從原點(diǎn)開(kāi)始向著兩個(gè)相反的方向飛出去。然而，物理量總是滿足守恒的關(guān)系，也就是說(shuō)，由于A和B兩個(gè)粒子是由同一個(gè)大粒子衰變形成的，那么A和B粒子的物理量總和應(yīng)該始終保持不變。

量子糾纏概念圖

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

然而，有趣的事情馬上就開(kāi)始出現(xiàn)了！

當(dāng)A和B這兩個(gè)粒子向著相反的方向，并且已經(jīng)飛出了足夠遠(yuǎn)的距離（比如A粒子飛到了金星，而B(niǎo)粒子已經(jīng)飛到火星），這時(shí)，即使A和B粒子之間要用光速來(lái)傳遞彼此間的信息，也需要一段的時(shí)間，而不可能是瞬間完成的相互作用。

此時(shí)，如果金星上的A粒子的某個(gè)物理量被測(cè)量出來(lái)，那么根據(jù)物理量守恒的原理，我們就可以立刻知道遠(yuǎn)在火星上的B粒子的狀態(tài)。而根據(jù)愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論基本原理，這種A和B粒子之間的超距相互作用是不可能瞬間發(fā)生的。

如果以上內(nèi)容你都認(rèn)可，那么只有一種可能，就是A和B粒子在彼此分開(kāi)前的那一刻，就各自處于確定的狀態(tài)，而不是所謂概率性的疊加態(tài)。

因此經(jīng)典物理學(xué)派強(qiáng)調(diào)，量子力學(xué)中的概率性原理并非本質(zhì)的特征，而只應(yīng)該是一種表面的現(xiàn)象。

波爾的反擊——不是我不懂狹義相對(duì)論，而是你不理解量子力學(xué)

面對(duì)經(jīng)典物理學(xué)派發(fā)起的第二次對(duì)決挑戰(zhàn)，以波爾為代表的量子物理學(xué)派不由得緊張起來(lái)。這是因?yàn)?，EPR佯謬這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)看起來(lái)實(shí)在是很有說(shuō)服力，并且狹義相對(duì)論已經(jīng)被驗(yàn)證是正確的。這難道說(shuō)，量子力學(xué)中的量子糾纏真就是錯(cuò)誤的嗎？

波爾很快就從慌張中鎮(zhèn)靜下來(lái)，并且重新審視EPR佯謬。不久之后，波爾敏銳地發(fā)現(xiàn)了這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)中的巨大漏洞！

假設(shè)還是一個(gè)不穩(wěn)定的大粒子衰變成A和B兩個(gè)粒子，A和B粒子沿著相反的方向飛行一段時(shí)間后，A粒子到達(dá)金星，B粒子也到達(dá)火星。愛(ài)因斯坦說(shuō)的沒(méi)錯(cuò)，由于A和B粒子之間滿足物理量守恒的關(guān)系，我們只需要測(cè)量金星上的A粒子的狀態(tài)，就可以立刻知道遠(yuǎn)在火星上的B粒子的狀態(tài)。

量子糾纏概念圖

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

這看似違背了狹義相對(duì)論中光速最快的原理，但實(shí)則不然。這是因?yàn)椋?strong>我們不應(yīng)該再?gòu)暮暧^世界的角度來(lái)理解量子糾纏。其實(shí)，量子糾纏只存在于微觀世界內(nèi)，并且用來(lái)描述整個(gè)系統(tǒng)的物理量。也就是說(shuō)，遠(yuǎn)距離的兩個(gè)粒子的隨機(jī)行為之間，總是存在某種關(guān)聯(lián)性，而且需要作為一個(gè)整體進(jìn)行描述，而不能將其視作兩個(gè)獨(dú)立的粒子，再去考慮兩個(gè)粒子之間的信息傳遞問(wèn)題。

因此，如果我們?nèi)匀粡慕?jīng)典物理的角度，來(lái)分別觀察兩個(gè)粒子各自的狀態(tài)，那么就會(huì)出現(xiàn)“EPR佯謬”中的錯(cuò)誤。也就是說(shuō)，“EPR佯謬”中的量子糾纏并不違背狹義相對(duì)論，而只是愛(ài)因斯坦錯(cuò)誤地從宏觀世界中的角度，來(lái)理解微觀世界中量子糾纏的含義。

很顯然，在第二次巔峰對(duì)決中，以愛(ài)因斯坦為代表的經(jīng)典物理學(xué)派并沒(méi)有取得勝利。但是，也正是由于經(jīng)典物理學(xué)派提出的一系列有趣的思想實(shí)驗(yàn)，促使量子物理學(xué)派不斷思考并且完善量子力學(xué)的“量子糾纏”理論。

從某種程度上來(lái)說(shuō)，這一次次的巔峰對(duì)決已經(jīng)不單是物理學(xué)理論的爭(zhēng)辯，而是新舊時(shí)代的兩種思維方式的碰撞。而量子力學(xué)中量子糾纏的奇妙，使得愛(ài)因斯坦都感慨，“我不相信，連上帝都要擲骰子”。

宏觀世界中隨機(jī)掉落的骰子

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

結(jié)語(yǔ)

在一次次的巔峰對(duì)決之后，物理學(xué)家不得不承認(rèn)量子物理學(xué)派的觀點(diǎn)，但是內(nèi)心還是難以接受。這是因?yàn)榱孔恿W(xué)的“量子糾纏”理論雖然十分奇妙，但是真的太違反我們?cè)诤暧^世界中的感受了！

因此，美國(guó)物理學(xué)玻姆（Bohm）提出了一個(gè)有趣的“隱變量”假設(shè)，希望能夠?qū)⒔?jīng)典物理學(xué)派和量子物理學(xué)派的觀點(diǎn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一種雙方都能滿意的和解。

那么，玻姆會(huì)成功嗎？請(qǐng)讓我們?cè)凇傲孔蛹m纏三部曲”的最后一篇中，為大家揭曉謎底吧！