《《纠缠态：物理世界第一谜》笔记》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《纠缠态：物理世界第一谜》笔记（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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，而且引发了包括量子
2、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研讨会。19
3、11 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：发生在此地的现象均
4、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
5、事先设计好一个漂亮的（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
6、的原子理论在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
7、，都是徒劳的。 ”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
8、战。整个晚上，玻尔闷闷不乐，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
9、不准原理的要求。爱因斯坦没有考虑到，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. Oxf
10、ord: Clarendon 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
11、难道不是自相矛盾的么？在两个位子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
12、( Physical Revew)， 47 卷，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
13、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
14、之一个成份”anelementofphysicalreality.） 。如果改变主意，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(physicalrea
15、lity)，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
16、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
