普林斯顿深秋叶纷飞,
爱因斯坦蹙眉困重围。
EPR雄文惊世出:
“量子描述非完备,
幽灵作用悖光锥!”
玻尔应战巧言辩,
然疑云深锁三十载未摧。
忽有北爱尔兰矿工子,
贝尔孤灯演算破天扉。
不等式如神剑降,
判分定域隐变是与非。
法兰西俊才阿斯佩,
精设光路证玄微:
隔空感应超光速,
量子纠缠胜鬼魅!
爱因斯坦长眠惊坐起?
宇宙编织非定域辉!
上回书说到,布鲁塞尔索尔维论剑台,爱因斯坦祭出“光盒”雷霆一击,欲破测不准律金身!然玻尔大师绝境逢生,借广义相对论之引力红移神功,反证光盒内部扰动恰守护天条,爱氏终抚膺长叹:“此役吾败矣!”哥本哈根旌旗高扬,量子圣殿法度昭然。然爱因斯坦心志如铁,岂甘俯首于概率之海?他退守普林斯顿高等研究院,如卧龙蛰伏,目光穿透量子迷雾,直抵其逻辑根基最幽深之悖论——非定域性!一场跨越时空、纠缠生死的终极智斗,于纸墨间悄然铺开。
却说公元一千九百三十五年,普林斯顿枫红似火。爱因斯坦与两位年轻俊杰波多尔斯基(Boris Podolsky)、罗森(Nathan Rosen),秉烛疾书,合撰雄文:《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?》(Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?),史称EPR论文!此文如一道撕裂夜幕的闪电,直劈哥本哈根诠释之命门,其锋锐更胜光盒十倍!
EPR佯谬之精要何在?
爱氏等构想一精巧思想实验,涉及一对处于特殊状态(后称“纠缠态”,Entangled State)的粒子A与B。此二粒子源自同一源头,相互作用后飞散,相隔遥远(如星汉之遥),彼此间再无任何经典作用。量子力学预言,此纠缠对之某些物理量(如位置差、动量或自旋分量)高度关联:
·若精确测得粒子A之位置 xA,则粒子B之位置 xB 亦瞬间确定(因 xA−xB= 常数)!
·若精确测得粒子A之动量 pA,则粒子B之动量 pB 亦瞬间确定(因 pA+pB= 常数)!
爱氏诘问如惊雷:
1.实在性判据:若对一物理系统进行测量,能以概率1预言某物理量的值,而不对该系统造成任何扰动,则该物理量对应于一个“物理实在的元素”。
2.对粒子B:
o 吾可选择测A之位置,则B之位置瞬间确定(概率1),且此过程对遥远处的B无任何扰动(因A、B已分离,无相互作用)!故B之位置乃物理实在之元素。
o 吾亦可选择测A之动量,则B之动量瞬间确定(概率1),且对B无扰动!故B之动量亦为物理实在之元素。
3.矛盾! 然则,依测不准原理,位置与动量乃互补量,不可同时为物理实在之元素(因其无法同时精确确定)!
4.结论:量子力学对粒子B之描述(允许其位置与动量依对A之测量选择而瞬间成为实在),要么不完备(未能包含所有实在元素),要么… 存在“幽灵般超距作用”(Spooky Action at a Distance)—— 即对A之测量,竟能瞬时(超光速!)影响遥远处B之状态!此乃相对论之光锥因果律所绝对不容!
“量子力学若完备,则必有超光速之幽灵感应,悖逆相对论!
若守定域因果(无超光速作用),则量子力学必不完备!
二者,必居其一!”
此论如晴天霹雳,寰宇物理界为之震骇!“幽灵作用”四字,更成后世量子纠缠之惊悚标签。爱因斯坦坚信,答案必是后者:量子力学不完备!必有更深层之定域隐变量理论(Local Hidden Variable Theory),其中粒子A、B分离时已携带着决定其所有可能测量结果的“隐变量指令集”,无需瞬时通信。概率性、纠缠性,皆因吾等未知此隐变量之故。
玻尔闻EPR雄文,如临大敌。他星夜疾书回应,然其文辞艰深晦涩,多绕“互补性”与“现象整体性”而言,强调对A之测量方式定义了对B之“实在”内容,否认存在独立于测量的“绝对实在”。虽竭力辩护,然其言玄奥,难消世人心中疑窦。EPR佯谬如幽灵徘徊,量子纠缠之非定域疑云,深锁物理苍穹三十余载,无人能解。
正当此迷雾深重之际,一位出身北爱尔兰矿工之家、供职于欧洲核子研究中心(CERN)的谦和物理学家,约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell),于繁重加速器设计之余,独对EPR困局深深着迷。贝尔心向爱因斯坦之定域实在理想,然其治学严谨如尺,决心以数理逻辑为刃,剖开这纠缠死结!
公元一千九百六十四年,贝尔埋首演算,灵光如核爆般撕裂长夜!他从定域隐变量理论基本假设出发,严谨推导出一个可被实验检验的数学不等式——贝尔不等式(Bell's Inequality)!此不等式之精髓在于:
·若爱因斯坦正确:存在定域隐变量,粒子分离时状态已定,其后测量仅揭示预设值,则A、B两粒子的测量结果(如自旋上下)之关联强度,必满足此不等式!关联应温和有限。
·若量子力学正确:纠缠粒子乃真正“一体”,测量A之选择瞬时影响B之状态(非定域),则其关联强度可突破贝尔不等式之藩篱!关联可强至“幽灵感应”之境。
贝尔不等式,犹如一柄悬于苍穹的“神剑”,为这绵延三十年的哲学争论,立下了可实验判决的铁律!贝尔论文既出,天下物理豪杰皆惊:纠缠幽灵之争,终可落地实证!然实验之难,难于上青天:需制备稳定纠缠粒子对,高速随机选择测量方向,确保粒子分离足够远以杜绝光速通信可能(关闭“定域性漏洞”),且探测效率需高(关闭“探测漏洞”)。
重担落于法兰西才俊阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)之肩!公元一千九百八十二年,巴黎奥赛光学研究所。阿斯佩团队以巧夺天工之设计,行惊世之验:
·纠缠之源:以特殊激光激发钙原子,使其衰变时同时释放一对纠缠光子(A与B),其偏振态高度关联,呈量子纠缠态。
·超远分离:两光子飞向相反方向,行至12米之外(远超光速通信所需时间窗口)。
·随机测量:于光子飞行途中,以高速声光开关(每10纳秒切换一次)随机改变测量其偏振的方向(如0°、45°等),确保测量选择与光子状态生成之间无法以光速通信(关闭定域性漏洞)!
·精密探测:高精度偏振片与单光子探测器严阵以待,记录光子通过与否(偏振上下)。
实验昼夜不息,海量数据如潮奔涌。阿斯佩屏息凝视最终关联强度计算值。结果赫然:
量子力学预言值 > 贝尔不等式上限!
实验数据点,如忠诚卫士,严丝合缝地落在量子力学预言线上,悍然突破了贝尔不等式划定的定域隐变量理论之禁区!
“幽灵感应”胜出!爱因斯坦坚信的定域实在理想,于此轰然崩塌!对纠缠光子A的测量选择,确能以超越光速千万倍的方式,“瞬间”决定遥远处光子B的状态!此关联非因预设隐变量,实乃量子非定域性之本真!宇宙之“织物”,在最微观处,竟由这种无视空间距离的“纠缠线”所编织!
消息传出,寰宇物理界地动山摇:
·哥本哈根学派扬眉吐气:非定域性乃量子世界固有禀赋,EPR幽灵实为量子真容!
·爱因斯坦定域实在观,虽高贵却终为实验证伪!宇宙无需“隐变量骰子”,其本质即概率、纠缠与超距关联!
·量子信息科学之大门,由此洞开!量子通信、量子计算… 昔日幽灵,化作今日科技神力!
普林斯顿爱因斯坦墓园,秋风萧瑟。若大师地下有知,闻此结果,当惊坐起,长叹复长叹:“上帝不仅掷骰子,更将骰子掷向彼此纠缠、无视时空的深渊!宇宙之玄,竟至于斯!” 然其EPR之问,如普罗米修斯之火,终照亮了量子最深邃的纠缠玄境。正是:
EPR雄文困重围,
幽灵超距悖光锥。
贝尔铸剑悬天律,
不等式判是与非!
阿斯佩挥戈起,
光路精绝证玄微:
隔空感应超光速,
纠缠双生胜鬼魅!
定域实在终崩碎,
非定域性立天威。
量子信息新纪启,
宇宙编织共舞辉!
然纠缠之谜虽解,
其力何以穿时空?
量子引力更深邃,
玄外之玄待穷通。
毕竟这无视时空的“纠缠神力”,将如何引动量子计算与宇宙本源之新篇?且听下回分解。