《纠缠态物理世界第一谜》笔记.docx

1、纠缠态物理世界第一谜笔记纠缠态：物理世界第一谜笔记纠缠态：物理世界第一谜（(美)阿米尔艾克塞尔著；庄星来译。上海科学技术文献出版社，2011.1）在“量子纠缠”实验中，此时此地发生的某种情况能够同一时刻在万里之外引起某种反应，这可能吗？我们在实验室里进行某种测量，而同一时刻，在世界的另一头，乃至宇宙的彼端，引发一个类似的行为发生，“纠缠”的双方无法逃脱地联系在一起，无论它们之间的距离多么遥远，也无论它们之间分开多长时间，它们之间的反应是瞬时的，并不需要时间。这可能吗？各种实验以确凿证据证实了，量子的这种幽灵般的诡异效应确实是自然界固有的现象。量子纠缠现象不但被一次又一次的，不断改进的实验证实，

2、而且引发了包括量子通信、量子计算等应用技术的革命，甚至可以将物质粒子的状态瞬间“隐形传输”到宇宙中任何遥远的地方，实现“物体”远距离瞬间传送。量子理论挑战着传统科学理念，严重地质疑着实在（reality）观念。在彼此纠缠至虽然远隔万里却能行动一致的粒子的世界中，究竟什么叫做“实在”?世界最具智慧的头脑：爱因斯坦不但在1905年关于光电效应原理创造了量子力学的里程碑。对量子力学的发展也作出不可估量的贡献。尽管他一直对量子物理保持极大质疑，但是，无可否认的事实是，量子纠缠等基本课题，也是伴随着爱因斯坦的论争而出现的。1910年春，比利时实业家欧内斯特索尔维突发奇想：邀请世界上最著名的科学家举办科学

3、研讨会。1911年10月末，第一次索尔维会议在布鲁塞尔的大都市饭店举办。最著名的物理学家都收到了邀请，其中包括爱因斯坦、普朗克、居里夫人、洛仑兹等等无一例外地参加了这一场历史性的会议。会议上，玻尔和爱因斯坦就量子力学的哲学意义及物理意义进行了激烈的争论。因为量子力学的意义与爱因斯坦的世界观有根本冲突。爱因斯坦一生始终坚信：描写自然规律的理论，必须遵循以下三个原则：第一、描写自然界基本现象的理论应当符合确定性的原则，尽管由于人类对初始状态以及临界状态的知识还存在空白，有时候不得不借助概率来预言观察结果。第二、自然理论应当涵盖客观实在的一切构成要素。第三、自然理论应当符合定域性的原则：发生在此地的

4、现象均由此地的客观实在要素决定，发生在彼处的现象则由彼处的客观实在要素决定。爱因斯坦和玻尔之间的关于量子力学解释的大辩论于1927年第五次索尔维会议上拉开了帷幕，量子论的所有创建者都在场：普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定诗、狄拉克。会上，“爱因斯坦简单地陈述了他对概率解释的反驳，别的话几乎只字未提然后便沉默下来。”（Lous de Broglie. New Perspectives in Physics. New York: Basic Books, 1962,）可是在酒店的餐厅里，爱因斯坦则表现非常活跃。“爱因斯坦下来进早餐时会提出他自己对新生的量子论的疑虑。每一次，他都会事先

5、设计好一个漂亮的（假想）实验，让人们看到量子论是行不通的。当时在场的泡利和海森堡只是草草应付说：啊，会有办法的，会有办法的。玻尔则不然，他总是小心翼翼地把问题考虑清楚，到了大家共进晚餐的时候，再条分缕析地把难题解决掉。”（J. A Wheeler and W. H. Zurek, eds. Quantum Theory and Measurement. Princeton , NJ: Princeton University Press, 1983.）海森堡也是1927年索尔维会议上的重要人物，他也曾讲述当时辩论的情况：“讨论很快就变成了爱因斯坦和玻尔之间的对决，争论的焦点是:当时的原子理论在

6、多大程度上可以看做是几十年来争论不休的那些难题的最终答案?我们一般在酒店用早餐的时候就见面了，爱因斯坦会在用餐时描述一个理想实验，他认为这样的实验可以显示出哥本哈根学派解释的内在矛盾。”（Wheeler and Zurek, 1983.）玻尔往往要用一整天的时间去考虑如何回应爱因斯坦的质疑，到了傍晚，他便将自己的观点说给他的量子论同道们听。吃晚饭的时候，他会给爱因斯坦一个答案，回应早上提出的问题。虽然爱因斯坦无法反驳玻尔的分析，但他的心里并不服气。据海森堡回忆，爱因斯坦的好朋友保罗埃伦费斯特曾对爱因斯坦说：“我为你感到羞愧。你现在的样子，就跟当初千方百计反对你的相对论的那些人一样，都是徒劳的。

7、”支持和反对量子论的争论，在1930年的第六次索尔维会议上变得更加激烈。酒店的走廊和餐桌都成为他们辩论的阵地。在吃早餐的时候，爱因斯坦设计了一个“思想实验”：在一个箱子摆放了放射物，箱子的重量是经过测量的。箱子上有一小孔，由一时钟控制。若有光子自孔中逸出，逸出之时间可以从时钟得到，其精确度可以做到任意地小。利用光子放走前后箱子的重量差，便可以从爱因斯坦的公式E=mc2得出逃逸的光子的能量。这样，时间与能量都可以测得很准，推翻了时间与能量的测不准原理。玻尔也参加了这次会议。听了爱因斯坦的思想实验后，当时的与会者们看见玻尔惊呆了，他一时不知该如何回应爱因斯坦对量子论发起的挑战。整个晚上，玻尔闷闷不

8、乐，四处求援，想让大家相信爱因斯坦得出的结论不可能是真的：可是怎样才能驳倒爱因斯坦呢?玻尔说，假如爱因斯坦是对的，物理学的末日就到了。他想了又想，就是没法驳倒爱因斯坦巧妙的推论。物理学家莱昂罗森菲尔德也参加了这一次会议，他说：“我永远忘不了那两位对于离开会所时的情景：爱因斯坦身影高大威严，脸上带着一丝嘲弄的笑意，一言不发地走着，玻尔一路小跑，紧随其后，神情激动。”当晚一夜苦思，玻尔终于在爱因斯坦的推论中找到了破绽：如果要测盒子重量，须要用秤。故光子之逸出前后，盒子之高低位置便有一个不准度。再根据爱因斯坦的广义相对论，这又就会造成时钟读数的不准确。计算结果正好可以满足测不准原理的要求。爱因斯坦没

9、有考虑到，测量箱子的重量即是观察它在引力场中的位移，箱子的位移导致箱子的质量无法准确测定，从而光子的能量也无法确定。且当箱子发生位移的时候，箱子里的时钟也随之发生位移，因此时钟所在的引力场发生了轻微的变化，已不是起初的那个引力场了。时钟在发生位移后的快慢与测量行为发生前是不同的，因此光子逃逸的时间同样是不确定的。这下玻尔证明了能量和时间之间的不确定性关系恰恰和不确定性原理所预言的一般无二。时钟在不同引力场中快慢不同，这正是广义相对论的一个重要内容。玻尔巧妙地用相对论证明了量子力学的不确定性原理。（Abraham Pais. Niels Bohrs Times. Oxford: Clarendo

10、n Press. 1991.）然而，争论仍在继续。爱因斯坦身为量子论创始人之一，对量子论的本体意义有着深刻的洞见。爱因斯坦参加了1933年的索尔维会议，他再次对量子论发起挑战。他问罗森菲尔德：“你怎么看这样一种情况：假设有两个粒子，我们让它们以相同的巨大动盘相向飞出，它们在经过某个己知位置的瞬间会发生相互作用。现在来了一位观测者，他在距离相互作用位置很远的地方捉住其中一个粒子，测出它的动量;然后他显然可以根据该实验的条件推出另一个粒子的动量。如果他测量的是第一个粒子的位置，那么也就可以推算出另一个粒子的位置了。这是可以直接由量子力学原理推出来的正确结论；可这里面难道不是自相矛盾的么？在两个位子

11、之间不存在任何相互作用的情况下，对第二个位子的测量行为怎么可以影响到第二个粒子的最终状态呢？”这就是爱因斯坦向量子力学提出的最具本体性的质疑，过了两年，著名的“EPR论文”发表以后，科学界才深入理解爱因斯坦论述的深刻意义，整个物理学界真正震撼了。1934年，他与加州理工认识的波利斯波多斯基（BorisPodolsky）及普林斯顿大学为他安排的助手，美国物理学家内森罗森（NathanRosen,1910-1995）三人合作撰写了质疑量子理论的最后一篇论文：能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？，发表在1935 年5 月15 日出版的美国物理学评论 ( Physical Revew)，47卷，

12、777-780 页。原文Albert Einstein, &ris Podolsky, and Nathan Rosen, “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete？”Physical Revew，47，777-780 .1935）简称“EPR论文”其中“EPR”是EinsteinPodolskyRosen爱因斯坦波多斯基罗森三人的简称。EPR论文的观点震动了全世界。在这篇文章里，爱因斯坦等三人用“纠缠态”来质疑量子理论的完备性，发出对量子力学不完备的最有力指控。（爱因斯坦文集第

13、一卷，许良英、范岱年编译，商务印书馆出版，1976年1月，328335页，能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？）EPR论文用想象的量子纠缠实验质疑量子理论的完备性：假定有两个电子，相撞后向相反方向飞去。在它们相距很远的时候，对其中之一测其动量。利用动量守恒定理，另一电子之动量也可就此决定了。由于两电子距离甚远，故第二个电子在未受任何干扰(withoutinanywaydisturbingthesystem)之下，确定了其动量值。第二个电子之动量在未受干扰之情况下，其值可以完全确定（这样的值，EPR定义为“物理现实之一个成份”anelementofphysicalreality.）。如果改

14、变主意，不去测第一个电子之动量，或测其位置而不测动量，第二电子仍然未受干扰，其动量值也没有理由改变。可见这动量值是第二个电子本身就有的属性，与第一电子之遭遇无关。同样的道理，也可说第二电子之位置或能量也是其本身就有的属性，其值也可确定，如果要测，可用质量中心或能量守恒定理，但不必要测。这样，位置与动量的测不准原理被打破了。但这不是重点，重点是：在未做任何测量以前，位置、动量、能量等各种物理量的准确值早就存在了，而量子力学之并未完全包含这样的信息。EPR的结论是：量子力学没有完整地描述物理现实(physicalreality)，故不完整。远在苏黎世的量子论的奠基者之一，原子中电子的“泡利不相容原

15、理”发现者沃尔夫冈泡利跳了起来。他给海森堡写了一封长信，信中说“爱因斯坦又出来批评盘子力学了，就发表在5月15日的物理评论上（是跟披多斯基、罗森联合撰写的不是很好的组合）。众所周知，他一开口准有一场灾难。”泡利非常担心，生怕美国学界会因此反对量子论。泡利建议海森堡火速撰文辩驳，因为他的不确定性原理正是EPR论文攻击的焦点。尼尔斯玻尔像被雷电击中一样，大惊失色，手忙脚乱，并且十分恼火。据罗森菲尔德回忆，EPR论文一发表，玻尔立即放下手头的一切工作。他觉得这里面的误解必须马上澄清，越快越好。玻尔提议就用爱因斯坦的实验来说明应该如何正确理解量子论。玻尔激动不已，开始一字一句地告诉罗森菲尔德该如何回应

16、爱因斯坦。不一会儿，他停下来，说：“不，这样不行我们得重来得把问题讲清楚”罗森菲尔德说，玻尔就这样跟他讲了很久；其间，玻尔不时打住，回头问罗森菲尔德：“这会是什么意思？你明白这意思吗？”他翻来覆去地思考，却找不到头绪。最后说“必须带着这问题去睡觉”了。接下来的几个星期，玻尔渐渐平静下来，已经可以安心撰写反驳EPR的论文。经过三个月的艰苦工作，玻尔终于把回应EPR的论文提交给物理评论杂志。他在文中写道：“我们无妨采用EPR中提出的实验，问题只是在于如何将不同的实验步骤区别开来；在不产生歧义的前提下，不同的实验步骤是可以用互补的经典概念来描述的。”此文的重点似乎是批评EPR原文中所用的词句定义不清

17、楚，特别是“未受任何干扰”(withoutinanywaydisturbingthesystem)。玻尔的意思似乎是：两个电子相距再远，测量其中之一，也会影响到另一个。爱因斯坦对这说法大不以为然，称之为“幽灵般的超距作用”(spookyremoteeffect)。依量子力学理论，对一个粒子的测量行为会同时改变另一个粒子的物理特征，不管两个粒子相隔多远和分离了多长时间；爱因斯坦认为这种“幽灵般的超距作用”，是非常荒诞的，决不可能存在于自然界中，假如量子力学体系的数学分析中推导出如此荒谬绝伦的结论，那么量子力学一定不能成立。薛定谔则给它起了一个有戏谑意味的名号：“量子纠缠”。一个粒子一旦与另一粒子

18、有了关系，以后不论它逃到天涯海角，这关系再也摆脱不掉，好像是一场男女之间你追我躲的爱情纠纷。如果量子纠缠是正确的，会产生两个问题，非局域性(non-locality)与瞬时及远(instantaneousactionatadistance)：第一，所有的古典物理都相信局域性（locality）：两个系统如果相距够远，两者之间之相互影响可以不计。但量子纠缠显然违反了它。第二，爱因斯坦的狭义相对论也是最成功的物理理论之一。其中一个结论是任何讯号（signal，信息之传递）速率皆不可超光速。但这“幽灵般的超距作用”是瞬时及远的，速率竟是无限大，两个粒子的关联行为是瞬时发生，并不需要时间。EPR是爱因

19、斯坦与玻尔在量子诠释上的最后一次论战。EPR论文究竟说了什么？爱因斯坦、波多斯基和罗森认为，如果一个物理系统的某种特征可以被准确地预测，同时该系统又不被影响，那么这种特征就可算是“构成物理实在的一个要素”。EPR还认为，对物理系统的“完备”的描述，必须能体现与该系统有关的一切物理实在要素。爱因斯坦的实验跟他两年前说给罗森菲尔德的实验基本相同。两个粒子彼此相联，这就是说其中一个粒子的位置和动量可以透过对另一个粒子的测量而得到，第一个粒子完全不受干扰。因此该粒子的位置和动量两个物理特征都是构成物理实在的要素。由于量子力学不能同时描写这两种特征，所以量子论是不完备的。EPR论文以及后来为它设计实验的

20、贝尔定理，是20世纪科学史上最重要的论文之一。它宣布：“要是对于一个体系没有任何干扰，我们能够确定地预测（即几率等于1）一个物理量的值，那末对应于这一物理量，必定在在着一个物理实在的元素。我们觉得，这个判据虽然远远不能包括尽一切认识物理实在的可能办法，但只要具备了所要求的条件，它至少给我们提供了这样的一种办法。只要不把这判据看成是实在的必要条件，而只看成是一个充足条件，那末这个判据同古典的以及量子力学的实在观念都是符合的。”（爱因斯坦文集第一卷，能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？许良英、范岱年编译，商务印书馆出版，1976年1月，329页原文A Einstein, B. Podolsk

21、y, and N. Rosen，“Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete？”Physical Review，47 , (1935) , p.777.）EPR随后便开始描述纠缠态。这些纠缠态非常复杂，因为它们包含了两个位子的位置和动量，这两个位子曾发生过相互作用，所以彼此之间是相关的。EPR主要描述了有关位置和动量的量子纠缠现象，之后他们总结道：“我们假定k和r的确是不if对易算得P 幸Il Q 的本征函数，并且分别对应子本征饱问有1 q 那末，在对第三个体系不作任何干拢的情况下，

22、通过量度A 或者B ， 我们就能确定地预知量P 的缸( llP P. ) ， 或者最Q 的恒( 即q，)。依照我们关于实在性的判据r 我们必须认为，在第-种情形下，量P 是一个实在的元素;而在第二种情形下，量Q 是一个实在的元素。但是.如我们所看到的，波动因于同)实在。f.1止我们证明了5 要末，(1)于波动函数所作的关于实在的量子力学的描远是不完备的;要末， ( 2) 当对应于两个物理量的算符是不可对易的时候，这两个量就不可能同时具有实在怪。因而，从波动函数是给予物理实在以完备的ti远这一假定出发，我们就得到了这样的结论t 对应子不可对易算符的两个物理量，是能够同时具有实在性的。于是，否定了

23、川，就导致了对唯一的另可能选捧(2)的否定。由此，我们不得不作由这样的结论:波动函数所提供的关于物理实在的量子力学描注是不完备的。”这样，通过对A或者B的测量，我们便可以在不干扰另一粒子的情况下确定地预测出它的P值或者Q值。根据我们给客观实在定下的标准，测量P时P就显示为客观实在的一个要素，测量Q时Q就显示为客观实在的一个要素;我们已经知道，这两个波函数是同属于一个物理实在的。前面已经证明了问题只可能出在以下两方面(二者必居其-):(1)用波函数来描写客观实在的量子力学是不完备的;(2)用于测量这两个物理量的算子若不遵守交换律，那么这两个量就不可能同时成为物理实在.所以我们只能得出一个结论:用

24、波函数来描写客观实在的盘子力学是不完备的。（爱因斯坦文集第一卷能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？许良英、范岱年编译，商务印书馆出版，1976年1月，334335页。原文A Einstein, B. Podolsky, and N. Rosen，“Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete？”Physical Review，47 , (1935) , p.777.）爱因斯坦等的推论是基于一个看似非常合理的假设:定域性假设。一个地方发生的现象不可能即时影响到另-个地方的现象。EP

25、R说.如果我们可以在不干扰系统的前提下预测出该系统一个物理量的确定值(即概率等于1)，那么该物理量就可以代表物理实在的一个构成要素。在测量粒子1的位置时，上述条件可以满足;在测量粒子1的动量时，上述条件也可以满足。通过这两种测量行为，我们可以确定地预言出粒子2的位置(或者动量)。因此可以推断它存在着这个物理实在要素。既然粒子2没有受到对粒子1的测量行为的影响这是EPR的假设)，那么一个实验说明粒子2的位置是物理实在要素，另一个实验则说明粒子2的动量是物理实在要素，从而位置和动量都是属于粒子2的物理实在要素。于是就产生了EPR佯谬。两个粒子是彼此相关的，测量其中一方便可得知另一方的状态，量子理论

26、能推出这样的结论，说明量子论是不完备的。玻尔在他的辩驳中说在我看来，他们也PR)的思路和原子物理学中的真实情况并不完全吻合。他认为EPR佯谬并不会真的威胁到量子理论在实际物理问题中的应用。大多数物理学家似乎同意他的观点。爱因斯坦1948年和1949年的论文又回到了EPR问题上，不过在他1955年逝世以前，他用了大部分的精力来创建一套统一的物理学理论，可惜没能成功。他始终不肯相信上帝会掷假子-一始终不认为基于概率性的盘子力学是完备的理论。他觉得盘子力学中一定缺少了一些东西，某些能够更好地解释客观实在的变量被忽略了。难题尚未解决:在同一个物理过程中生成的两个相关粒子，永远彼此相联，它们的波函数无法

27、分解成两个因式。其中一个粒子发生任何状况，另一个粒子必定同时发生相应改变，元论它们各自飞到宇宙的哪个角落。爱因斯坦称其为“幽灵般的超距作用”。玻尔始终没有忘记他和爱因斯坦之间的争论。直到1962年去世的那一天，他还在谈论那些问题。为了让科学界接纳盘子理论，玻尔拼尽了全力，他把每一次对量子论的攻击都视为对他个人的攻击，认真地去应对。大多数物理学家以为坡尔最终摆平了盘子论的争议，击败了EPR。但是，问题远远没有解决。爱因斯坦坚持的传统物理观念，例如存在着与观测者无关的客观实在观念；“发生在此地的现象均由此地的客观实在要素决定，发生在彼处的现象则由彼处的客观实在要素决定”的定域性原则是否正确？“幽灵

28、般的超距作用”是否真的存在？两个相关粒子，永远彼此相联，两者之间发生的作用真的超越时间和空间限制吗？能否实际建立一个物理实验，一个决定性的实验，得出确实的结论，最终证实以上结论是正确还是错误？如果有了结论，那么，对于物质、实体；对于什么是物理实在、什么是存在；对于宇宙万物的根本观念，应当作出什么重大修正？二十年后，爱因斯坦的主张由另一位物理学家再度提出，并得到了改进。戴维波姆在普林斯顿大学研究量子力学的哲学问题，1952年取得了EPR问题上的突破。波姆修改了爱因斯坦的实验设置，令EPR佯谬中的问题变得清晰、简洁、容易理解当时物理学界有人认为EPR实验中的粒子也许并非真的发生纠缠，也有人认为粒子

29、间的量子纠缠会随着距离的增大而消失;波姆和阿晗朗诺夫的论文指出这两种观点都是不对的。此后，所有的相关实验都证明:粒子纠缠是真实的物理现象，纠缠现象不会随着距离的增大而消失。爱因斯坦等人对这个描述不满。在他们看来，量子力学只能做出几率性的预言，是因为理论中缺少了某些变量。一旦这些变量被补充进去，量子力学就可以升级成一个符合决定论观点的理论。这些变量是什么？不知道，所以称为隐变量。1959年，被姆和阿晗朗诺夫发现了A-B效应CAharonov-Bohmeffect)，两人都因此而成名。A-B效应是一种神秘的现象，就像纠缠态一样，具有非定域性的特点。波姆和阿晗朗诺夫发现，电子经过的路径上电磁场场强为

30、零时也会产生电子干扰中的相移。这就是说，假如一个圆柱体内部有一个电磁场，且电磁场完全被封闭在圆柱体内部，从圆柱体外面飞过的电子却仍然会跟里面的电磁场发生感应。因此，从圆柱体外面经过的电子会神奇地受到封闭在柱体内部的磁场的影响。A-B效应也成了量子力学的一个谜，没有人真正明白为什么会这样。它跟纠缠态一样，都有非定域的特质。波姆和阿哈朗诺夫是用数学的方法从理论上推导出这种效应的。许多年后，A-B效应才被实验证明出来。波姆的研究大大推进了我们对盘子论和纠缠态的理解。此后几十年中，实验物理学家和理论物理学家总是最喜欢用波姆版的EPR假想实验来研究纠缠态。不仅如此，1957年波姆和阿哈朗诺夫还提出了验证

31、EPR佯谬的一个重要条件。他们指出，要想证明EPR位于是否会像爱因斯坦等人所反对的那样运动，就必须采用延迟决定装置。也就是说，实验员必须是在粒子飞出以后才决定要测量哪一个自旋方向。只有这样设计的实验才能保证其中一个粒子(或者实验仪器)不会通知另一个粒子到底发生了什么事。后来，约翰贝尔也强调了这个条件，他提出的定理将改变我们对实在的认识。还有一位重要的实验物理学家会将这个条件用到验证贝尔定理的实验中，进一步证实相距遥远的粒子之间的纠缠是一种真实的物理现象。玻姆否定了定域性，但认为量子纠缠和A-B效应的非定域性的现象是因为隐变量造成的，例如量子势。20世纪30年代初，冯诺依曼来到普林斯顿大学的高级

32、研究所。他的量子力学著作成了量子研究者们不可或快的工具，同时也是有关量子力学的数学原理的重要论述。冯诺依曼在书中提出一个重要的观点：使量子力学解释趋于完备的所谓隐变量理论是不存在的，根本不存在能使每一个被观测的最都具有确定值的隐含变量。他对这个命题的论证在数学上完全正确，但是该命题的一个基本前提从物理学角度上看却是有问题的。约翰贝尔在欧洲原子能研究中心的办公时间全部用于研究理论粒子物理学和加速器设计，因此他只能利用在家休息时间来从事他的哑余爱好一一探索盘子论的基本问题。1963年，他休了-年假，离开欧洲原子能研究中心先后去了斯坦福大学、威斯康星大学和布兰德斯大学。贝尔就是在这一年旅居国外的诗学过程中真正开始探索量子论的核心问题的。在美国休假时，贝尔的研究有了突破，