量子纠缠是根据爱因斯坦为了反驳玻尔为首的哥本哈根学派的量子力学解释而提出的一个称为EPR悖论(Einstein-Podolsky-Rosen paradox)设计的思想实验。即爱因斯坦、波多尔斯基、罗森悖论。
1935年5月三人联合发表的论文《物理评论》对量子力学提出了强烈的质疑。
爱因斯坦和他的同事基于量子力学设计了一个精妙的实验。他们用高能光子轰击特殊晶体,导致特殊晶体外部的电子在两个能级之间跳跃,然后发射出一对较低能量。光子后退(每次后退,一个能级发射一个能级) 根据守恒定律,发射光子对的量子态(例如偏振)之间存在相关性。
根据哥本哈根学派的解释,与量子态(微小粒子状态的总称)相关的光子的量子态在被测量之前是不确定的。那么问题是,如果我们通过光路将两个光子分开,将两个光子以相反的方向发送到两个相距较远的位置,并同时测量它们,会发生什么?
如果我们按照哥本哈根学派的解释,情况就变得非常有趣了。在测量两个光子之前,量子态是不确定的,并且在测量其中一个光子之前,特定的测量状态是确定的。这对光子的量子态是相关的。这意味着当一个光子的状态被确定时,另一个光子相应的量子态也同时被确定。然而,根据守恒定律,光子对的量子态必须同时确定,而之前我们将它们分开很远的距离,并且它们之间的通信需要时间。那么其他光子是如何测量的呢?首先,光子的状态信息如何衰变成其对应的状态?
显然,这种相关性崩溃导致了超轻信息传输。这违反了狭义相对论的基本定律,即信息传输不能超过光速。狭义相对论被广泛接受,当然没有人对此感到高兴。它的正确性存在争议,其中包括哥本哈根学派的科学家。因此,爱因斯坦认为量子力学是不完整的,一定有什么问题或未知的地方。布尔人读到这份审讯文件时一定感到震惊。
但爱因斯坦提出这个悖论后,也给出了自己的经典解释。两个光子的状态在它们产生时就确定了,此时电子的能级暂时降低并释放它们。它们的状态已经确定,然后将它们分开100亿光年并测量它们,不会影响它们现有的量子态。因为从一开始就已经决定了。这样一来,悖论就不存在了。
玻尔当然无意放弃哥本哈根解释,但凭借他非凡的远见,他很快就发现了问题。他说,“在测量之前,这对光子不是两个光子,而是一个整体。在测量之前,它是用波函数来描述的。在量子力学中,一个粒子只能用波来描述”函数。)在测量之前,粒子只有一个波函数。
玻尔的解释非常微妙,与哥本哈根学派对量子力学的解释一脉相承。 —— 测量之前没有明确状态,为什么会认为有两个波函数?这不是流氓吗?
在玻尔的解释中,一对光子的状态是在测量后确定的,因此波函数的崩溃(光子从不确定状态到某种明确定义的状态的变化)仅发生在测量时,并且以前没有发生过。系统(光子对)处于所有可能的叠加状态。这一测量,导致了这个系统的整个空间崩塌……是的,整个空间崩塌了,无论距离有多远。不存在所谓的超光信息传输。这实际上与整个空间的塌陷相同,即使对于单个光子来说,其波函数也会扩散到整个空间的每个位置。这需要时间,或者您应该考虑速度。在这种情况下,波函数本身的塌缩每分钟都会超过光速。因为我们可以说:我们怎么知道一年前发射的光子不会出现在一光年之外呢?
所以,事实上,真正奇怪的不是量子纠缠,而是叠加态本身。
爱因斯坦自然无法接受这种解释,直到去世也没有公开宣布接受量子力学的完备性。因此有句名言:“上帝不掷骰子!”
你不能把这归咎于爱因斯坦的固执。在他的一生中,他提出的EPR悖论从未被实验室实验证实或推翻。而他认为的隐藏变量从未被篡改过。因为当时,尽管很少有人怀疑量子力学的完整性,但也没有人能够设计出可行的解决方案来验证它。但作为一位具有独立思想的伟大科学家,他始终坚信宇宙是可以被理解的。
我不认为爱因斯坦错了;他错的是时代没有给他答案。
1955年4月18日,爱因斯坦最终没有得到他需要的答案,但九年后的1964年,实验物理学家贝尔提出了一个不等式。这种不等式后来被命名。只有设计一个实验来检验贝尔不等式,我们才能确定EPR悖论中哪一个是正确的。贝尔希望他的偶像爱因斯坦是对的。
第一个检验贝尔不等式的实验直到20世纪70年代才成功,而自20世纪80年代以来,更严格的实验都违反了贝尔不等式,可见所言。证明用量子力学对客观世界的描述是完整的。换句话说,EPR实验中不存在悖论,我们现在称之为EPR悖论。
但当时的实验仍然存在随机数漏洞等漏洞,而且实验距离不够。到本世纪,更加严格的贝尔实验已经完成,比如我国墨子实验卫星进行的千公里量子纠缠实验,以及数万人通过游戏程序提供随机数的大贝尔实验。虽然目前贝尔实验不存在任何漏洞,但所有实验结果都证明了量子力学的正确性和完整性。
今天我们只能说,有一个我们不理解的宇宙,至少目前是这样。我们不知道为什么会发生叠加,为什么会发生波函数塌缩,以及为什么会发生量子纠缠。这一切谜团都等待着世界顶尖科学家的解答。你是解开这些谜团的人吗?
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