令人费解的时间纠缠 1935年的夏天

1935年的夏天，物理学家

爱因斯坦

和

薛定谔

从多个角度对

量子理论

所蕴含的意义进行了全方位的探讨。他们所担心的焦点是后来被薛定谔称之为“

纠缠

（entanglement）

”的概念，它代表的是在两个量子系统或粒子进行相互作用后，我们无法对其进行独立描述的情况。

直到爱因斯坦去世，他仍然坚信纠缠意味着量子力学是不完备的。薛定谔认为纠缠是新物理学的关键性特征，但这也并不意味着对此他能轻易接受。1935年7月13日，薛定谔在写给爱因斯坦的信中表示：“我当然知道这个问题如何在数学上解释得通，但我不喜欢这么一个理论。” 最初出现在这些信件中的，还有最著名的那只徘徊于生死之间的薛定谔的猫。而这只猫也只是让两位聪明的大脑陷入困境的副产品。

○

1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森发表了一篇著名的论文，质疑了量子力学的完备性。| 图片来源：Einstein et al.

纠缠的问题在于它违背的是宇宙运作的规律。首先，信息的传播速度不能比光速快。但在1935年的一篇论文中

[1]

，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森展示了纠缠如何导致了存在于纠缠粒子间的奇异连接——

量子非定域性

（quantum nonlocality）

。如果两个量子系统相遇后再分开，即便相距数千光年，也不可能在对其中一个系统的特征

（如位置、动量和偏振）

进行测量时，不会瞬间影响到另一系统并将其转换入相应的状态。

迄今为止，大部分实验已经测试了空间差距上的纠缠。这是假设量子非定域性的“非定域”部分指的是跨空间性质的纠缠。但如果纠缠也会发生在时间尺度上会怎样呢？是否存在时间非定域性的东西？

事实证明，答案是肯定的。就在你认为量子力学已经不能再奇怪时，希伯来大学的物理学家 Eli Megidish 等人在2013年发表了论文称

[2]

，他们成功地让从未共存过的光子发生了纠缠。比之更早的那些涉及到“纠缠交换”技术的实验，已经通过对其中一个共存的纠缠粒子的测量进行延时，实现了跨越时间的量子相关性；但 Megidish 和他的合作者则是第一次展示了生命周期完全没有重叠的光子间的纠缠。

他们是如何做到的呢？首先，他们创造了一对纠缠的光子：‘1-2’

（如下图中的步骤I所示）

。很快，他们测量光子1的偏振

（即描述光的振荡方向的属性）

，导致光子1的“死亡”

（步骤II）

。光子2被徒劳无功的送出，同时新的纠缠对“3-4”诞生了

（步骤III）

。随后光子3与巡回光子2一起被测量，使得纠缠关系从旧的纠缠对

（“1-2”和“3-4”）

“交换”成新的“2-3”纠缠对组合

（步骤IV）

。一段时间之后

（步骤V）

，唯一的幸存者——光子4——的偏振被测量，并且将其结果与早已在步骤II就“死亡”的光子1进行比较。

○

时间线图：（I）光子1和2的诞生；（II)探测到光子1；（III）光子3和4的诞生；（IV）光子2和3的贝尔投射；（V）探测到光子4。| 图片来源：[2]

结果如何？实验数据揭示了光子1和4之间存在

“时间非定域

”的量子相关性。也就是说，纠缠可以发生在两个完全没有共同存在过的量子系统上。

这到底意味着什么？乍看之下，这就如同说，来自遥远过去

（比如90亿年前）

的星光偏振，竟能影响你在今年冬天用业余望远镜观测到的星光偏振一样耸人听闻。更奇怪的是，这或许还意味着，你在今年冬天观测到的落入你望远镜的星光，不知何故就支配了光子的偏振超过90亿之久。

以免这种古怪的情形让人过于震惊，Megidish 和他的同事不遗余力地试图对结果进行了所有可能的猜测，包括一些相当奇怪的诠释。

也许步骤II中的对光子1的偏振测量以某种方式操纵了未来的光子4的偏振；或者是步骤V中的对光子4的偏振测量以某种方式改变了光子1在过去的偏振状态。无论从向前还是向后的时间方向上，量子相关都跨越了一个光子的死亡和另一个光子的诞生之间的因果空白。

不过，只要相对论一介入，这种奇异性就会消失。在狭义相对论的发展过程中，爱因斯坦抛弃了牛顿学说中的“同时性”这一概念。这样一来同时性从一个绝对属性变成了一个相对属性。宇宙中没有唯一的计时器，确切地说是在什么时候发生了某件事，取决于你相对于正在观察事物的精确位置，也就是我们所说的参照系。因此，要在时间分离的情况下避免出现奇怪的因果行为

（主宰了未来或改写了过去）

的关键，就要接受称事件是“同时性”一事是几乎不形而上的。这只是一个限制参照系的性质，是众多其他同等可行选择的一种，是一种约定俗成的记录。

这一课题直接涵盖了对空间和时间的量子非定域性探索。纠缠粒子对的未知奥秘相当于由相对论引发的标记分歧。爱因斯坦证明了任何事件的顺序都不可能有形而上的优先或被认为是比其他任何东西要更真实的。只有接受这种见解，才能在这样的量子难题上取得进展。

可以这么说，希伯来大学进行的这项实验中的各种不同参照系

（实验室、光子1、光子4等的参照系）

都有它们各自的“历史记录者”。虽然这些“历史记录者”不会对事情的发展达成共识，但它们中的任何一个都不能称自己就是真理。根据这种时空的观点，每一个事件都有不同的展开顺序。那么显然，任何指定限制参照系属性的尝试、或将一般属性绑定到一个特定参照系上，都会引起“历史学家”之间的争论。但是事情是这样：虽然在对于哪些属性在何时应该指定给哪些粒子这类问题上可以有合理的分歧，但在这些属性、粒子和事件的存在上不应有分歧。

对于薛定谔及其同时代的人来说，科学上的进步将涉及到对某些形而上学观点的局限性的探索。薛定谔的那只半死半活的猫——就是为了说明系统的纠缠是如何导致那些违背我们对物体和其属性间关系的正常理解的宏观现象而创造的：例如像一个既非死亡也非活着的猫这样的有机体。非此即彼。

大多数当代哲学对物体与其属性之间关系的解释，仅是从空间非定域性的角度来理解纠缠。

但是，要想融合时间非定域性方面将还有很多工作要做，不仅是物体和属性间的讨论，而且也有关于物质构成的争论

（好比一块粘土和它所形成的雕像之间的关系）

，以及部分和整体间的关系

（好比一只手之于肢体、或一个肢体之于人体的关系）

。例如，部分与整体如何契合的“难题”是假设了基础组成部分之间具有清晰的空间边界，但空间非定域性并不支持这一观点。时间的非定域性进一步复杂化了这种情况：如何对一个组成部分甚至不能共存的实体进行描述？

或许认清纠缠的本质有时是一个令人不那么舒服的工作。目前我们尚不清楚从对Megidish等物理学家那样做出的新研究的审视中，能产生哪些真实的形而上学。我们无法忽视未来形而上学上的空间或时间的非定域性：靴子是否合适，还必须得由我们来穿上它才知道。

文：Elise Crull

译：二宗主

原文标题为“You thought quantum mechanics was weird: check out entangled time”，首发于2018年1月9日的Aeon。原文链接：http://aeon.co/ideas/you-thought-quantum-mechanics-was-weird-check-out-entangled-time。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。

参考文献：

[1] http://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.47.777

[2] http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.110.210403

本文经授权转载自《原理》微信公众号

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