量子纠缠及其“超距作用”

宋正怀

摘要：量子纠缠作为物理学尚未被科学届解释的现象，本篇着重阐述量子物理的两大对立的观点，一种是以爱因斯坦为代表的认为量子的特性，必须满足一切物理世界的定域性和实证性原则，量子纠缠也是由于有隐变量的作用;另外一种观点以玻尔为代表的观点，认为量子世界的随机性和超距作用是世界的本来面目。介绍现代物理检验这两种观点的原则性数学限制条件：贝尔不等式，展望对量子纠缠等物理学现象的客观机理的期待。

关键词：量子纠缠 定域性 实在性 贝尔不等式 隐变量 超距作用

1927年10月，20世纪著名的一次大咖云集的第五届索尔维会议在布鲁塞尔召开，此次会议的主题为电子和光子。图1是当时的索尔维研究所大楼，就在这个大楼的侧面，这张被引用了无数次的照片，聚集了当时世界上最重要的物理学家，参加这次会议的29人中，有17人先后获得了诺贝尔奖。

这次会议，是为了讨论在当时还未被大众认识和接受的新型理论，也就是描述原子等基本粒子和微观世界的量子力学理论。在会议上，因修正了牛顿力学发表了相对论而备受推崇的爱因斯坦和量子力学的奠基人之的尼尔斯·玻尔发生了激烈的争论。前者以上帝不会掷骰子的观点，来反对海森堡提出的不确定性原理;而玻尔也反驳爱因斯坦说不要告诉上帝该怎么做，这一著名的争论被后世称为爱因斯坦—玻尔论战。这一场激烈的世纪论战却使得爱因斯坦终其一生都对量子理论无法全盘接受，然而，恰恰就是因为认为这套理论始终存在瑕疵的反对者却对这套理论做出了非常突出的贡献！他将一个之前根本未被发现的概念-量子纠缠，阴差阳错的引出，并且这个被他称为鬼魅般的超距现象，在余生一直困扰着他。

会议中提出的量子力学理论非常怪异，粒子（也就是组合成我们这个世界万物的基本单元）在量子力学描述的微观世界中以概率存在，在不进行测量的时候，它是一种模糊的不确定性状态，这种说法根本就是无法接受，所以爱因斯坦想尝试找出不完美的地方，来驳斥这一理论的严重缺陷，并且在1935年联合了罗森和波多尔斯基提出了著名的EPR佯谬来质疑量子力学的理论，论证了在量子力学理论中的一个漏洞，就是粒子一种不可能的联系，两个粒子之间，不论相隔多远，比如一个在上海，一个在纽约，当然也可以更远，甚至可以远到宇宙的两端也不影响其结果，根据量子力学的公式，假如测量上海的这个粒子是从不确定的模糊状态改变成确定状态时，会瞬时影响到纽约的另外一个粒子。在爱因斯坦看来是完全不可思议的，因为他认为在某一个地点发生了某件事，不可能即时瞬间影响或者说改变另一个地点正在发生的事情，这违反他所坚持的定域性原理，因为这是爱因斯坦认为的基本常识，世界不可能按照量子力学方程描述的那种瞬时影响来作用，定域性原理认为，如果在物质空间中被分开的话，一个要影响另外一个，就必须要用某些介质在他们之间进行传导，而这个传导是需要时间的，比如假设两个纠缠的粒子之间或许存在着某种隐秘的通讯方式，其中一个被测量立即向另外一个发送信号，告诉它应该立即变成什么属性，但是这个信号传输的速度，需要比光速还快，这显然就和爱因斯坦的狭义相对论相矛盾，爱因斯坦始终认为粒子的状态应该是真实的，而不应该是模糊和不确定的状态，他觉得粒子的状态从一开始就是确定，只是它们包括在更深层的物理原理之中，不能因为它显现不了就不去探究它隐藏的规律，所以才有了那句对量子力学历史上最有名的质疑：如果你不看月亮，月亮就不存在吗？所以对于远距离的幽灵效应，爱因斯坦质疑量子力学其实并不完整，看到了爱因斯坦这篇论文，玻尔写了一篇同名的论文予以回击，大意是微观世界的一个粒子就是能以某种神秘的方式影响着另一个粒子，这与宏观世界有着根本的区别。所以定域性和粒子初始状态的真实性，这些在宏观世界的基本常识，如果拿到微观世界就全部都不成立了。另外，薛定谔也在同一时期对EPR佯谬发表了自己的观点，最重要的是，他还给这个看似不可能的现象起了个名字叫做量子纠缠，其实在当时来说，玻尔的回驳明显是有些苍白无力的，因为按当时的科技局限性，谁也无法在实验中验证这个现象的存在和真实性，也就更无法反驳爱因斯坦关于量子力学并不完美的质疑，直到两人相继过世，也没有分出对错了。但是这并不妨碍科学家们用量子力学的原理去改变世界，抛开关于量子纠缠的争论，量子力学方程在曼哈顿计划中大显神威，帮助人类拥有了第一颗原子弹，上世纪50年代的新泽西的贝尔实验室也利用量子理论，开发出了世界上第一批的激光器，包括现在已经无处不在的小型电脑控制器，也就是奠定了人类科技近50-60年的发展基础，目前我们拥有的一些高科技设备，其实大多都是源于量子方程。

然而，爱因斯坦对于那个根本无法接受的幽灵效应的疑问，一直到1964年才有了突破的可能。当时，一位北爱尔兰叫做约翰·斯图尔特·贝尔的物理学家提供的一种可行检验量子纠缠的方法，贝尔不等式是基于由定域性约束加一元线性隐变量理论得到的结论，该结论反映了对实验可能结果的限制情况，若贝尔不等式成立，则这种形式的隐变量理论正确，则现有的量子力学就有漏洞。要是實验结果排斥贝尔不等式，则表明量子力学体系正确，或者至少实验有利于佐证量子力学。

几十年来，人们一直把贝尔不等式是否成立作为判断隐变量理论与量子力学孰是熟非的“分水岭”。在70年代较为完备的贝尔实验，似乎证明了量子纠缠的超距作用是事实存在的。可是贝尔实验总是不断遭到吹毛求疵的物理学家们质疑，即所谓的“自由意志漏洞”诟病，他们怀疑实验不是绝对的随机，多少还是要受到某种上帝般的给予条件限制。于是就有了2016年11月30日的一场盛大的，由全球10万名志愿者参与的科学“盛会”：大贝尔实验。取样足够大的拥有真正的自由意志的参与者，即便“上帝”在那，成千上万个自由意志选择的随机性数量也足以满足统计取样难以令人信服。轰轰烈烈的大贝尔实验也许解决了“自由意志漏洞”，可“局域性漏洞”还是个亟待解决的问题。所有的参与大贝尔实验的志愿者都在地球上，由于距离太近了，约几百毫秒的人类反应时间还是排除不了不大于光速的“隐变量”的影响。潘建伟团队把目光转向地球之外，同年，他们利用全球第一颗量子科学“墨子号”卫星，在1200千米星地之间刷新了量子纠缠分发距离的世界记录。将来计划，将更远的地月间距离作为量子纠缠“局域性漏洞”检验的目标。2017年，蔡林格用两颗恒星发生的光的颜色作为随机取样数做贝尔实验。两颗恒星距离地球大于1900光年和600光年。假如宇宙间确实有能够左右量子纠缠的“隐变量”，那至少要在600年前就开始谋划了。

虽然关于实验中的漏洞和瑕疵，直到今天仍然被讨论，但是量子纠缠的现实应用其实在悄然的拓展人类未来科技发展的上限，最典型的案例就是这样的，就算量子计算机的出现，实现了普通计算机根本无法企及的强大算力。

回顾量子纠缠的前世今生，我们回到我们要讨论的重点，也就是爱因斯坦口中量子纠缠体现在远距离幽灵效应，也就是我们所说的超距作用，究竟是如何实现的呢？其实，当初爱因斯坦提出關于定域的质疑，也就是前面提到的，如果物质在空间中被分开，一个影响另外一个就必须要有某些确实是在他们之间进行传导，这个传统很明显是需要时间的，而且这个传导的速度需要比光速还快。关于这一点的质疑，其实自己也没有一个可以被验证的合理解释，我们只知道这种鬼魅般的效应确实是真实存在的。

但时至今日，量子纠缠的原理，在科学界仍然是一个未知数。而关于这个神奇现象的原理，现在仍然有各种猜测，例如，纠缠量子之间那条神秘的信息，可能就是以这样一种超越维度的方式产生作用，因为我们感知的曲线无法洞悉全貌，但是仍然可以实现某种程度上的窥一豹而知全貌，假设自己不能看到这个二维平面的表面背后的原因，即便你知道是怎么回事，也先不要考虑。假设这就是一个光子，我们用特殊的方法将它们一分为二，我们看到的就是两个各有50%能量的孪生光子，也就是说，他们目前的状态，在我的世界里可以被认为是已经被分离成两个独立的个体，那么按理说他们之间就 再有任何的联系。图2中我们通过拉拽的方式就可以看到，不管让纠缠态量子之间其中哪一个发生变化，另一个则必然产生相反的变化，在我们看到的这个画面中的就是一个变长，另一个就必然变短，这是为什么呢？大家当然都知道，因为从画面上看他们俩确实是独立的个体，但是我们三个面，你就会发现，其实他们之间还是存在一些必然的联系，那么也就是说，这个平面就是我们所能感受到的，而平面的背面，也就是隐藏的那条神秘信息纽带的另一面，是我们根本没办法感知到的，但却也是真实存在，所谓高纬世界，目前科学界普遍把他们称为的微观世界。

另一种假说，是由英国物理学家伯姆提出的全息宇宙的概念，我们所在的宇宙是一个真实宇宙的全息投影，这是宇宙中的两个粒子之间的纠缠现象，其实就是一个粒子，所以他们之间有没有空间，你所看到画面，是从一个物体的两个侧面分别拍出来的，如果摄影机的影像都投影到某个空间之内的话，我们在这个空间里观赏路线就存在了这种鬼魅般的两个领子纠缠了，其中一个投影发生了变化，另外一个也肯定发生相反的变化，这也就能够解释这种神奇的同步的量子纠缠现象，而且也不与爱因斯坦的狭义相对论相违背，对于我们眼前的事物，怎么可能从更深层次的角度考虑？可以直观的观察和解释现象，在全宇宙的这个接触下的物体投影，在我们这个空间中，这是两种完全不同思路和角度，对于量子纠缠现象的解释，一个全息宇宙论相结合而提出的看法，另一个就是高维空间相结合，这都属于猜想尚未被证实，这两个猜想，目前看起来都能够合理的解释量子纠缠现象，并且并不违背这个爱因斯坦的狭义相对论。

参考文献

【1】王正行.量子力学创立的历史概要 第五届索尔维会议90年[J].科学文化评论，2017，14（03）：43-63.

【2】王菊霞.任意自旋量系统的贝尔不等式[J].渭南师范学院学报，2013，28（06）：20-26.

【3】我国成功组建天地一体化量子通信网络[J].计量与测试技术，2021，48（02）：104.