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郭光灿的量子十问


量子十问之二:“爱因斯坦幽灵”能用来实现超光速通信吗?

发布时间:2017-01-04


       

爱因斯坦(图片来源于网络)


       大家知道,爱因斯坦对量子力学的发展做出极其重要的贡献。然而,爱因斯坦并不喜欢“量子世界的概率性”,他不相信上帝会以掷骰子的方式创造世界,尤其不能认同以玻尔为首的哥本哈根学派对量子力学的诠释。因此,他多次与玻尔就量子力学基本问题发生激烈争论,不过每次他都以失败告终。后来,爱因斯坦便改变争论的策略,即从量子力学原理出发,推演出一个十分荒谬的结果,以期来证明,量子力学用于描述世界是“不完备的”,这就是爱因斯坦等人1935年提出的著名的“EPR佯谬”。 


EPR佯谬(图片来源于网络)

        设想有一个量子系统由两个自旋为1/2的粒子构成,每个粒子的自旋要么向上($\uparrow$),要么向下($\downarrow$),但两个粒子的总自旋为零,这意味他们总是处于自旋相反的状态。现在将粒子A和B分别配置于相距遥远的两个地方,例如,A在地球上,B在月球上。按照量子力学的预言,每个粒子的自旋方向是不确定的,在任何方向上测量会有一半概率向上,一半概率向下。但如果地球上的粒子A被测量并发现其自旋向下,那么月球上的粒子B即便不测量也能确定其自旋必定向上,因为AB自旋总是相反的。可见,地球上A未测量时,月球上B只有一半概率向上,而地球上A一旦被测量,并发现自旋向下,那月球上的B立刻以百分之百概率处于自旋向上的状态。月球上B的状态似乎是瞬时被地球上A的测量所控制,这种控制行为以超光速方式发生。这就是从量子力学原理推演出来的必然结果。

        爱因斯坦由此断定,“超光速”行为是绝对不可能发生,他称之为“幽灵般的超距作用”。量子力学造就出这个不可能存在的“幽灵”,由此可见“量子力学是不完备的”,不足以正确地描述真实的世界,为正确地描述世界,必须从量子力学体系之外引进新的参数(俗称为隐参数),来消除“量子世界的概率性”,这个“幽灵”也自然就消失掉!这就是EPR佯谬的故事。


        那么量子力学如何应对EPR佯谬?如何解释这个神奇的幽灵呢?首先,在EPR实验中,月球上B虽然测到自旋向上,但仅从这次测量的结果,无法推断出它是以50%还是100%的概率获得此结果的,换句话说,它根本不可能由此知道地球上A是否被测量这个信息,因此这里根本不存在“信息传送”。即使“幽灵”超光速,也不违背狭义相对论“信息传送不能超光速”的原理。

        上述EPR实验中,似乎地球上A的测量是“因”,而月球上B的后测量是其“果”,而“幽灵”担负着这个“因果”关联的角色。

        但是,如果同时在地球上和月球上分别测量A和B,结果应如何呢?量子力学预言,每次A和B的测量结果自旋总是相反的,而且多次重复这个实验,单独看每个粒子测量的结果系列则是完全随机的,A和B两个随机序列则是完全关联,自旋总是相反的,所以实验结果是完全关联的随机数序列,这时不再存在“因”“果”之别了,“幽灵”并不从某处传到另一处,而是扮演将两个随机序列关联起来的角色!

        设想我们有100份EPR粒子对(AB),其中所有A粒子都在地球上,而所有B粒子都在月球,重复前面的实验,结果是地球上所测的100个A粒子自旋向上或向下是完全随机的序列,而是大约一半向上,一半向下。同样的,月球上B粒子的测量结果也是向上,向下完全随机的序列,向上或向下的数量大约各占一半。但是最令人惊奇的是,地球和月球上分别测到的这两个随即序列是完全关联的:第$i$对EPR粒子中$A_i$与$B_i$自旋总是相反的。每对EPR粒子都毫无例外是这个结果。

        我们知道,量子世界遵从量子态叠加原理。EPR中的量子系统,是由两个总自旋为零的粒子构成的,这个系统状态同样符合叠加原理。总自旋为零的状态只有两种可能:$|\uparrow\rangle_A|\downarrow\rangle_B$和$|\downarrow\rangle_A |\uparrow\rangle_B$,因此,AB系统的状态应当是$|\psi\rangle_{AB}=\alpha|\uparrow\rangle_A |\downarrow\rangle_B+\beta|\downarrow\rangle_A+|\uparrow\rangle_B$  ($|\alpha|^2+|\beta|^2=1$),这个特殊的状态称为“纠缠态”。处于纠缠态的粒子,即使空间上分离遥远,仍然存在内在量子关联,对其中一个粒子的任何操作都会瞬时地改变另一个粒子的状态。所谓“幽灵”,就是这种纠缠!一旦两个粒子存在纠缠,它们的量子关联与粒子之间的距离无关,与空间环境无关,任何电磁屏蔽、引力屏蔽等都无法斩断这种内禀关联。这种量子关联源于量子世界的一种基本属性,称为“非局域性”,这便是“幽灵”的因源! 

        因此,物理学界对EPR佯谬的解释就出现两种截然不同的观点:爱因斯坦等人认为:“幽灵”不存在,世界是局域的,量子力学不完备,必须以“隐参数理论”代之;玻尔等人认为:量子世界是非局域的,“幽灵”理应存在,量子力学是完备的,无需引入“隐参数”。世界究竟是“局域”还是“非局域”这是个哲学问题,难以断定孰是孰非!多亏欧洲核子研究中心的理论物理专家贝尔(Bell)的贡献才打破了这个僵局。贝尔本人实际上是爱因斯坦的铁杆粉丝,他认为爱因斯坦更聪明,“隐参数理论”应当是正确的。1964年,他推导出一个有关EPR实验的不等式,即著名的“贝尔不等式”。如果能验证这个不等式被违背,则“隐参数理论”就不成立。

        1982年,法国学者阿斯派克特首次在实验上证实,贝尔不等式被违背。其后人们采用各种物理系统和实验手段开展实验研究,最终无漏洞地证实,贝尔不等式被违背,量子力学是完备的,非局域性是量子世界的重要基本性质。因此,关于EPR佯谬这场经历了60多年精彩绝伦的学术争论到了该谢幕的时刻了!爱因斯坦如果在天有灵,看到他质疑量子力学完备性而提出的EPR佯谬,终被证明是“佯”而不“谬”,反而揭示出量子世界的非局域性这个最基本性质,不知会有何感想? 

阿斯派克特(图片来源于网络)

        为便于理解量子世界的非局域性,我们举个不太恰当的例子:在合肥的母亲,当她在深圳的女儿生下头胎婴儿的那一瞬间,她立刻升格为外婆,这就类似于EPR效应。这件事并不需要时间就发生了,尽管母亲并不知道关于她女儿生下婴儿的任何信息。原因在于母女之间的身份关联,女儿成为母亲的瞬间就必然导致自己的母亲变成外婆。

        既然“量子世界”确实存在“超光速”的“幽灵”,那么人们自然会问,能否将这个“幽灵”引到我们的经典世界中来,开发出“超光速通信”?许多科学家进行了不懈努力,最终的结论是,这是绝对不会成功的。量子力学的基本原理业已证明,不可能利用纠缠态来实现超光速通信。