[科普中國]-愛因斯坦幽靈能實現(xiàn)超光速通信嗎

愛因斯坦（圖片來源于網(wǎng)絡）

大家知道，愛因斯坦對量子力學的發(fā)展做出極其重要的貢獻。然而，愛因斯坦并不喜歡“量子世界的概率性”，他不相信上帝會以擲骰子的方式創(chuàng)造世界，尤其不能認同以玻爾為首的哥本哈根學派對量子力學的詮釋。因此，他多次與玻爾就量子力學基本問題發(fā)生激烈爭論，不過每次他都以失敗告終。后來，愛因斯坦便改變爭論的策略，即從量子力學原理出發(fā)，推演出一個十分荒謬的結果，以期來證明， 量子力學用于描述世界是“不完備的”，這就是愛因斯坦等人1935年提出的著名的“EPR佯謬”。

EPR佯謬（圖片來源于網(wǎng)絡）

設想有一個量子系統(tǒng)由兩個自旋為1/2的粒子構成，每個粒子的自旋要么向上（↑），要么向下（↓），但兩個粒子的總自旋為零，這意味他們總是處于自旋相反的狀態(tài)?，F(xiàn)在將粒子A和B分別配置于相距遙遠的兩個地方，例如，A在地球上，B在月球上。按照量子力學的預言，每個粒子的自旋方向是不確定的，在任何方向上測量會有一半概率向上，一半概率向下。但如果地球上的粒子A被測量并發(fā)現(xiàn)其自旋向下，那么月球上的粒子B即便不測量也能確定其自旋必定向上，因為AB自旋總是相反的?？梢?，地球上A未測量時，月球上B只有一半概率向上，而地球上A一旦被測量，并發(fā)現(xiàn)自旋向下，那月球上的B立刻以百分之百概率處于自旋向上的狀態(tài)。月球上B的狀態(tài)似乎是瞬時被地球上A的測量所控制，這種控制行為以超光速方式發(fā)生。這就是從量子力學原理推演出來的必然結果。

愛因斯坦由此斷定，“超光速”行為是絕對不可能發(fā)生，他稱之為“幽靈般的超距作用”。量子力學造就出這個不可能存在的“幽靈”，由此可見“量子力學是不完備的”，不足以正確地描述真實的世界，為正確地描述世界，必須從量子力學理論體系之外引進新的參數(shù)（俗稱為隱參數(shù)），來消除“量子世界的概率性”，這個“幽靈”也自然就消失掉！這就是EPR佯謬的故事。

那么量子力學如何應對EPR佯謬？如何解釋這個神奇的幽靈呢？首先，在EPR實驗中，月球上B雖然測到自旋向上，但僅從這次測量的結果，無法推斷出它是以50%還是100%的概率獲得此結果的，換句話說，它根本不可能由此知道地球上A是否被測量這個信息，因此這里根本不存在“信息傳送”。即使“幽靈”超光速，也不違背狹義相對論“信息傳送不能超光速”的原理。

上述EPR實驗中，似乎地球上A的測量是“因”，而月球上B的后測量是其“果”，而“幽靈”擔負著這個“因果”關聯(lián)的角色。

但是，如果同時在地球上和月球上分別測量A和B，結果應如何呢？量子力學預言，每次A和B的測量結果自旋總是相反的，而且多次重復這個實驗，單獨看每個粒子測量的結果系列則是完全隨機的，A和B兩個隨機序列則是完全關聯(lián)，自旋總是相反的，所以實驗結果是完全關聯(lián)的隨機數(shù)序列，這時不再存在“因”“果”之別了，“幽靈”并不從某處傳到另一處，而是扮演將兩個隨機序列關聯(lián)起來的角色！

設想我們有100份EPR粒子對（AB）,其中所有A粒子都在地球上，而所有B粒子都在月球，重復前面的實驗，結果是地球上所測的100個A粒子自旋向上或向下是完全隨機的序列，而是大約一半向上，一半向下。同樣的，月球上B粒子的測量結果也是向上，向下完全隨機的序列，向上或向下的數(shù)量大約各占一半。但是最令人驚奇的是，地球和月球上分別測到的這兩個隨即序列是完全關聯(lián)的：第i對EPR粒子中Ai與Bi自旋總是相反的。每對EPR粒子都毫無例外是這個結果。

因此，物理學界對EPR佯謬的解釋就出現(xiàn)兩種截然不同的觀點：愛因斯坦等人認為：“幽靈”不存在，世界是局域的，量子力學不完備，必須以“隱參數(shù)理論”代之；玻爾等人認為：量子世界是非局域的，“幽靈”理應存在，量子力學是完備的，無需引入“隱參數(shù)”。世界究竟是“局域”還是“非局域”這是個哲學問題，難以斷定孰是孰非！多虧歐洲核子研究中心的理論物理專家貝爾（Bell）的貢獻才打破了這個僵局。貝爾本人實際上是愛因斯坦的鐵桿粉絲，他認為愛因斯坦更聰明，“隱參數(shù)理論”應當是正確的。1964年，他推導出一個有關EPR實驗的不等式，即著名的“貝爾不等式”。如果能驗證這個不等式被違背，則“隱參數(shù)理論”就不成立。

1982年，法國學者阿斯派克特首次在實驗上證實，貝爾不等式被違背。其后人們采用各種物理系統(tǒng)和實驗手段開展實驗研究，最終無漏洞地證實，貝爾不等式被違背，量子力學是完備的，非局域性是量子世界的重要基本性質(zhì)。因此，關于EPR佯謬這場經(jīng)歷了60多年精彩絕倫的學術爭論到了該謝幕的時刻了！愛因斯坦如果在天有靈，看到他質(zhì)疑量子力學完備性而提出的EPR佯謬，終被證明是“佯”而不“謬”，反而揭示出量子世界的非局域性這個最基本性質(zhì)，不知會有何感想？

阿斯派克特（圖片來源于網(wǎng)絡）

為便于理解量子世界的非局域性，我們舉個不太恰當?shù)睦樱涸诤戏实哪赣H，當她在深圳的女兒生下頭胎嬰兒的那一瞬間，她立刻升格為外婆，這就類似于EPR效應。這件事并不需要時間就發(fā)生了，盡管母親并不知道關于她女兒生下嬰兒的任何信息。原因在于母女之間的身份關聯(lián)，女兒成為母親的瞬間就必然導致自己的母親變成外婆。

既然“量子世界”確實存在“超光速”的“幽靈”，那么人們自然會問，能否將這個“幽靈”引到我們的經(jīng)典世界中來，開發(fā)出“超光速通信”？許多科學家進行了不懈努力，最終的結論是，這是絕對不會成功的。量子力學的基本原理業(yè)已證明，不可能利用糾纏態(tài)來實現(xiàn)超光速通信。