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爱因斯坦与量子纠缠的故事

本周二重阳节那天,瑞典皇家科学院将2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯派克特(Alain Aspect)、美国科学家约翰·克劳塞(John F. Clauser )和奥地利科学家安东·蔡林格(Anton Zeilinger),以表彰他们“用纠缠光子进行的实验证伪了贝尔不等式,并开创了量子信息科学”。

如同20世纪大量伟大的物理学发现一样,量子纠缠的研究也源自爱因斯坦。但出乎意料的是,爱因斯坦的初衷并不是证实事件之间不必交换信号也可以相互关联。他本来的目的恰恰是想要证明,这件事情行不通。

爱因斯坦与量子纠缠的故事

爱因斯坦原本的目的是驳倒量子力学。但恰恰是因为他认识到了光是光子的涌流,才产生了这一理论发展的道路。凭借量子力学,人类第一次知道了,最微小粒子的世界里在发生着什么;除去相对论,爱因斯坦对量子力学理论的促进作用可以算是他最重要的贡献。不过,爱因斯坦和他的这一精神成果斗争了一辈子。他曾写道:“内心有一个声音告诉我,这还不完备。”为了证实量子力学的这一不完备性,他于1935年设想了一个实验,也就是那个过了近半个世纪才由阿兰·阿斯派克特完成的实验。

爱因斯坦不喜欢的地方在于,根据量子力学理论,世界上本就存在偶然事件,即本质上无可预知的事情。也就是说,量子力学只能够预测概率,比如,某人设置了一个实验,实验的结果以是非题的答案呈现,可以预测的是,答案为“是”的概率为60%,答案为“非”的概率是40%。

根据量子力学,自然世界玩的是随机的轮盘赌游戏,这是爱因斯坦不能接受的。他一直坚信,世界在理论上是可以被解释、被预测的。有一次,他对自己的同事和朋友马克斯·玻恩(Max Born)反驳道:“你相信上帝会掷骰子,但我相信完全的法则。”

在20世纪上半叶,许多物理学家都对自然具有不确定性这一点深感震惊。但只有爱因斯坦认识到了量子力学形成的后果比这还要更加诡谲:该理论认为,两个曾经发生过相互作用的粒子,将永远保持相互之间的联结,因为携带着共同过往的信息将永远不会丢失。在阿斯派克特的实验中,光子对相互联结,因为它们有着共同的源头。但只有在它们后续“生命历程”中的某一刻,当两个光子受到某一力量的作用而产生相互影响时,这种联结才会显现。

这种联结被称为量子纠缠。量子纠缠的本质在于,携带着两个粒子历史的信息是不可摧毁的。无论两个粒子距离多远,这种信息都不会丢失。

量子纠缠的本质在于,携带着两个粒子历史的信息是不可摧毁的。

这就是爱因斯坦思考的切入点。假如人们改变在伦敦的一个光子的状态,得到的会是一个随机的结果,但在纽约与之发生了纠缠的那个光子必定在同一时刻给出相应的结果——毕竟两个粒子处于纠缠态,相互的联结无法解开。这正是阿斯派克特后来实验观察到的结果,而且正是这一点让当时的爱因斯坦看到了矛盾之处。因为,如果伦敦的测量结果是随机的,那为什么在纽约的粒子能够如此快速地感知大西洋彼岸的这一随机事件,并给出相应的结果?这完全是不可能的,爱因斯坦解释说。

根据相对论,信号的传播速度最高只能达到光速,因此,信号从一个地点到达另一个地点需要时间。但是纠缠态的相互作用却是即时性的,爱因斯坦将此戏称为“鬼魅般的超距作用”。他认为,量子力学不能就此成立,所谓的随机事件根本就不是随机事件。在这种奇怪现象的背后一定还隐藏着某种未被发现的“计划”。爱因斯坦已经认识到,自然世界有悖于我们的逻辑。但他不愿意承认这一点。

怎样才能找到这个隐藏的计划呢?如何确定计划是否存在?几十年来,这个问题都好像无解。直到1964年,北爱尔兰粒子物理学家约翰·贝尔(John Bell)灵光乍现,其想法与爱因斯坦犀利的直觉不谋而合:隐藏的计划一定会留下蛛丝马迹,而且只要通过数数,就可以发现这些痕迹。如果真有这样的计划,它一定会改变特定事物同时发生的频率。通常来说,研究量子力学的过程是与复杂的数学博弈的过程,约翰·贝尔却凭借很多人小学就会的运算剖析了量子力学那令人困惑不已的内核。

侦探故事中的约翰·格洛克也使用了这个原则,即频率的计算——两个不同案发地点针对一道是非题给出相同答案的频率。通过这种运算方式,他向吃惊的斯通展示了,如果作案前沟通过计划,那么产生这种相同答案的频率会相对更高。

物理学家阿兰·阿斯派克特在他最初的实验里,探究了光子对自旋的方向。他通过对自旋测量仪器设置不同的问题,研究光子对与测量结果相匹配的频率,随后对数据一致的频率进行计数。根据计数结果,他最终确定,不存在所谓的隐藏计划。原因是,如果光子对确实遵循某种计划,那么测量结果一致的频率一定会不一样。

随着新的实验排除了最后的疑虑,可以确定的是:不可能存在一个规定了每个粒子命运的隐藏计划。在遥远的两地同时发生的确实只是随机的事件。爱因斯坦错了。

这些关于量子纠缠的实验有个着名的别称,叫“超距传送”——是根据《星际迷航》的宇宙飞船“企业号”(Enterprise)上的传送装置命名的,柯克船长和船员们能够通过它被瞬间传送到陌生的星球上。如今,纠缠态的光子已经可以被传送几百千米,而且马上就会达到数千千米。这一种状态的联结也慢慢被应用于信息传输领域,以防止窃听。

能被超距传送的已远不止基本粒子,来自牛津的物理学家甚至成功地使两颗钻石进入纠缠态。钻石的大小几乎要赶上一个指甲盖了,当人们研究其中一块钻石的状态时,另一块钻石就像神奇的水晶球一样能够瞬间给出相同的结果,即便这结果是不可预知的。

此类实验的难度并不在于制造纠缠态,而在于阻止形成不必要的纠缠态。窍门在于将处于纠缠态的两个物体与周围环境隔离开来,这样它们就不会向其他物体传递信息。否则这种纠缠态就会被稀释,如同被风吹散的香气,无法捕捉。正是出于这个原因,我们无法察觉日常生活中的量子纠缠——因为它无所不在。

但是,爱因斯坦对此的异议也同样无法反驳:处于纠缠态的两个物体,虽然处于不同位置,但它们中间就像没有空间间隔一样。其中一个物体随机给出一个答案,另一个物体无论相距一毫米或是几百千米都能同时给出相应的答案。这怎么可能呢?难道存在超越时空结构的内在联结?难道远近只是我们用于描述方位的名词,但这一名词在真实世界的更深层面上毫无意义?

我们很难接受纠缠态不是“鬼魅”,而是真实存在的。即便人们能够接受一个由随机事件主宰的世界,也不能接受一个不存在空间的世界。日常经验使我们不由地认为,空间就像一个盒子,里面装着一切事物,我们是在空间里面去看、去听、去感受一切能够被感知的事物的。而一个没有空间的世界,只可能是鬼怪的世界,对我们而言太过陌生。

空间,跟时间和意识一样,是我们人生体验的锚。因此,我们会试着将三者归入不可说明的行列,但时间的流逝只是秩序的崩塌。许多证据显示,意识是几十亿神经元共同作用的结果。那么,为什么唯独空间不可说明呢?

我们体会到的空间,可能只是对事物关系的粗略说明。左和右,上和下,前和后,只有当事物相互纠缠时才会产生:那么,“近”这个字就像人际关系一样,描述的是一种强烈的联结。所以空间或许不是盒子,而是一张网?一张由我们周围的一切共同编织而成的网。那么格洛克说的没错,世界上的各处在真实世界里只是一处。

本文来自李志宏科学网博客

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