【量子十問之二】愛因斯坦幽靈能實現超光速通信嗎?


愛因斯坦

大家知道,愛因斯坦對量子力學的發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,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

設想有一個量子系統由兩個自旋為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?,F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被測量并發現其自旋向下,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,并發現自旋向下,那月球上的B立刻以百分之百概率處于自旋向上的狀態。月球上B的狀態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(俗稱為隱參數),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,自旋總是相反的,所以實驗結果是完全關聯的隨機數序列,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”。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“隱參數理論”就不成立?! ?/span>

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。因此,關于EPR佯謬這場經歷了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,不知會有何感想? 

阿斯派克特

為便于理解量子世界的非局域性,我們舉個不太恰當的例子:在合肥的母親,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,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”引到我們的經典世界中來,開發出“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已證明,不可能利用糾纏態來實現超光速通信。

 

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