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回顧量子百年(第四節):被糾纏的愛因斯坦

發布時間:2023-04-19 11:24:48  信息來源:  閱讀次數: 11911 次

沒錯,量子糾纏實際上是愛因斯坦、薛定諤等人的研究成果。

 

愛因斯坦構想了一個思想實驗,描述了一個不穩定的大粒子衰變成兩個小粒子(A和B)的情況:大粒子分裂成兩個同樣的小粒子。小粒子獲得動能,分別向相反的兩個方向飛出去。如果粒子A的自旋為上,粒子B的自旋便一定是下,才能保持總體的自旋守恒,反之亦然。
 
根據量子力學的說法,測量前兩個粒子應該處于疊加態,比如“A上B下”和“A下B上”各占一定概率的疊加態(例如,概率各為50%)。然后,我們對A進行測量,A的狀態便在一瞬間坍縮了,如果A的狀態坍縮為上,因為守恒的緣故,B的狀態就一定為下。
 
但是,假如A和B之間已經相隔非常遙遠,比如說幾萬光年,按照量子力學的理論,B也應該是上下各一半的概率,為什么它能夠在A坍縮的那一瞬間,做到總是選擇下呢?
 
難道A和B之間有某種方式及時地“互通消息”?即使假設它們能夠互相感知,它們之間傳遞的信號需要在一瞬間跨越幾萬光年,這個傳遞速度已經超過了光速,而這種超距作用又是現有的物理知識不容許的。于是,愛因斯坦認為:這就構成了佯謬。
 
愛因斯坦強調不可能有超距作用,意味著他堅持經典理論的“局域性”。量子力學已經否定了確定性,這是愛因斯坦不認可的。而現在,如果連局域性都要拋棄,這可是愛因斯坦絕對不能同意的,因而在文章中他將兩個粒子間瞬時的相互作用稱為“幽靈般的超距作用”。
 
薛定諤讀完EPR論文之后,他用德文寫了一封信給愛因斯坦,在這封信里,他最先使用了術語Verschr?nkung(意思是糾纏),這是為了要形容在EPR思想實驗里,兩個暫時耦合的粒子,不再耦合之后彼此之間仍舊維持的關聯。
 
EPR佯謬也得到了玻爾的回應。他認為,因為兩個粒子形成了一個互相糾纏的整體,只有用波函數描述的整體才有意義,不能將它們視為相隔甚遠的兩個個體——既然是協調相關的一體,它們之間便無須傳遞什么信息。
 
愛因斯坦絕對接受不了玻爾的這種古怪的說法,即使在之后的二三十年中,玻爾的理論占了上風,量子理論如日中天,各個分支高速發展,給人類社會帶來偉大的技術革命,愛因斯坦仍然固執地堅持他的經典信念,反對哥本哈根學派對量子理論的詮釋。
 
1955年,愛因斯坦與世長辭,幾年后玻爾也離開了人世。但他們觀點的分歧依然沒有一個定論,直到1964年英國物理學家約翰·貝爾提出了著名的“貝爾不等式”。
 
愛因斯坦一方堅持認為量子糾纏的隨機性是表面現象,背后可能藏有“隱變量”,貝爾本人也支持這個觀點。他試圖用實驗來證明愛因斯坦的隱變量觀點是正確的。
 
 
貝爾假設了一個上圖所示的實驗。根據出生確定論,這些光子的偏振方向都是已經確定好了的,對一個光子的測量結果和對另一個光子的測量結果無關。但在量子力學中,對一個光子的測量結果必然影響另一個光子的測量結果。
 
比如做4次實驗,分別把左右兩邊的偏振片置于(0°, 0°)、(30°, 0°)、(0°, -30°)、(30°, -30°)的角度。第一種情況,所有的光子都能通過偏振片。第二、三種情況,是分別選擇每一邊的偏振片。第四種情況,是兩邊的偏振片都旋轉。
 
簡單來說,如果對一個光子的測量結果和對另一個光子的測量結果無關,那么兩邊的偏振片都旋轉的結果≤每一邊偏振片分別旋轉的結果之和,這就是貝爾不等式。
 
但根據量子理論,對一個光子的測量結果必然影響另一個光子的測量結果。那么,就會出現兩邊的偏振片都旋轉的結果>每一邊偏振片分別旋轉的結果之和的情況。
 
也就是說,如果該不等式成立,愛因斯坦獲勝,如果該不等式不成立,則玻爾獲勝。因此,貝爾不等式將愛因斯坦等人提出的EPR佯謬中的思想實驗,轉化為真實可行的物理實驗。
 
盡管貝爾的原意是支持愛因斯坦,找出量子系統中的隱變量,但他的不等式導致的實驗結果卻適得其反。在之后的幾十年里,所有貝爾測試的實驗結果都偏向于量子力學。
 
1972年,物理學家克勞澤及其合作者弗里德曼,成為貝爾不等式實驗驗證的第一人。實驗結果違背貝爾不等式,證明了量子力學的正確性。
 

1982年,巴黎第十一大學的阿蘭·阿斯佩等人在貝爾的幫助下,改進了克勞澤和弗里德曼的貝爾定理實驗,成功地堵住了部分主要漏洞。這次的實驗結果同樣違反貝爾不等式,證明了量子力學的非局域性。



▍背景簡介:本文摘自公眾號“光子盒”。

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