量子纠缠“鬼魅”行为,爱因斯坦至死都不能接受!! 在物理学中

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在物理学中，相对论和量子力学是现代物理的两大支柱。相对论由爱因斯坦一个人完成，就已经远远超出了人们的常识。量子力学的建立，前前后后少说也有数十位物理学家参与（爱因斯坦也是其中之一），其难度可见一斑。量子力学大师费曼曾说：“没人能理解量子力学”，这论断比“世上只有3个人理解相对论”又夸张了不少。

量子力学中，最不可理解的现象，恐怕要数量子纠缠了。

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EPR谬论

实验中发现，两个相互耦合的粒子，不再耦合之后，两个粒子的特征值会存在一些关系。比如耦合时系统总自旋为0，分开后如果测得其中一个粒子自旋向上，则测得另一个粒子自旋总是向下。这个现象用经典理论中的角动量守恒就可以解释。

1935年，爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基、纳森·罗森三位物理学家共同发表了一篇论文，提出了EPR谬论（以三人名字首字母命名）。EPR谬论是一个思想实验，它第一次提出了量子纠缠的概念（但“量子纠缠”这个术语由薛定谔提出）。

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试想一对相互耦合的粒子，分开了遥远的距离之后，再对两个粒子进行测量。它们的距离非常遥远（比如好几光年），以至于即使以光速传递信息，两个粒子的通信时间也要非常长。

根据量子力学的解释，分开之后，两粒子的纠缠关系仍然存在，即使相隔遥远距离，他们都能瞬时发生关系，一个粒子的行为可以立即影响到另一个粒子。未被观测之前，两个粒子都会有一些叠加的性质，比如任一粒子都同时具有向上和向下的自旋（处于两种自旋状态的叠加态）。当观测其中一个粒子，它会立即“坍缩”为向上或向下自旋中的一种，而另外一个粒子会立即“坍缩”为另一种自旋。

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量子力学给出的这种奇怪的说法，爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”，因为如果相互纠缠的两个粒子真的可以即时影响到对方，那他们之间的联系就是超光速的，EPR论文认为这与相对论给出的“信息传播速度上限为光速”相矛盾。

经典的解释似乎更合情合理：两个粒子分开时，各自的自旋已经由动量守恒定律和分开时的某些条件确定，只是我们没有足够的信息去确定它们的自旋，只有真正测量才能知道。经典理论的解释下并不存在超光速的现象。

经典理论和量子力学的根本分歧在于：经典理论认为两粒子的状态在分开的时候就已经确定，只是没有足够的信息去知道它们的状态。量子力学则认为无论分开多远，被测量之前两粒子的状态都是不确定的（叠加态），只有测量可以使两粒子的状态确定下来，对某一边的测量行为会立即影响到另一边的状态。

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定域论与实在论

EPR谬论还揭示了更为深刻的问题：量子力学并不符合定域论与实在论。

定域论指的是这样一种观点：在某区域发生的物理事件，不能立即影响到一定距离外的区域，只能以不超过光速的信息传递速度影响到其他区域。考察相隔一定距离的两个物体的相互作用，他们之间信息交流的时间必须纳入考虑范围。

实在论指的是：做实验观测到的现象是于某种物理实在，而这物理实在与观测的动作无关。简单地说，量子在被观测之前状态就应该是已经确定了的，而与观测无关。

定域实在论是当时物理学领域的主流观点，量子力学是明显违反定域实在论的。

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贝尔不等式

两种观点似乎只是哲学上的争吵，因为测量前的状态大家都无法得知，测量后的结果大家都一样。但是爱尔兰物理学家约翰·贝尔受EPR谬论的启发，根据经典理论和量子力学的区别，推导出一条可以分辨二者对错的不等式——|Pxz-Pzy|≤1+Pxy。

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贝尔不等式

要理解这个不等式，就要先理解相关性P。当AB两地的观察者测量两粒子的自旋，如果AB多次实验后，测得两粒子的自旋方向总是相反，那他们“自旋方向相反”的相关性P=1，也就是说“A测得某方向的自旋，B测得相反的自旋”这两个结果的相关性是100%。但只有当AB两地观测者以同一方向测量自旋，才会得到相关性P=1的结果，如果两者的测量方向有一定夹角（不在同一方向测量），那两者的相关性就会小于1。这是因为，如果把自旋看作矢量的话，当选取的观测方向不同，该矢量在这些方向上的投影方向并不100%相关。

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贝尔的实验要求两地的观察者从3个方向进行观测，其方向分别为x、y、z，三个方向可以任意取，不一定相互垂直。Pxz为A从x方向观测、B从z方向观测时两粒子自旋相反的相关性。Pzy为A从z方向观测、B从y方向观测时两粒子自旋相反的相关性。Pxy为A从x方向观测、B从y方向观测时两粒子自旋相反的相关性。

贝尔不等式是贝尔在经典理论的框架下推导出来的，也就是说，如果爱因斯坦他们是对的，两粒子的状态在观测前早已确定，那么不论x、y、z之间的夹角是多少，三个相关性Pxz、Pzy、Pxy之间都会满足不等式|Pxz-Pzy|≤1+Pxy。相反，如果量子力学是对的，两粒子的状态在观测前并不确定，那么根据量子力学的推导，x、y、z方向两两之间的夹角会存在某些取值，可以使三个相关性Pxz、Pzy、Pxy不满足这个不等式。

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约翰·贝尔

剩下的就是做大量实验来验证贝尔不等式了。但是要做到实验条件——两粒子相隔很远，以至于它们以光速通信也不能及时传递信息，这是非常困难的。

随着技术的进步，几十年来科学家陆陆续续做过很多实验，其结果都表明贝尔不等式不成立，似乎量子力学是对的。但是到目前为止的所有实验都被指出存在各种漏洞，也就是说，量子力学对量子纠缠的解释到底对不对，以及定域实在论是否受到动摇，还没有严谨的实验给予证实。物理学家相信，完美的实验会在数年内出现。

ps：我国的墨子号科学实验卫星，在今年6月创出了1200公里的“最远距离量子纠缠实验”的记录。

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尽管两个粒子之间的联系可能以超光速进行，但他们之间的即时联系，并不能用来传递任何信息。因此宇宙间信息的传递速度极限仍然是光速。

至于爱因斯坦，贝尔不等式是在他逝世后10年才被提出的，更不用说那些验证实验了。爱因斯坦至死都还认为量子力学是不完备的，并且认为定域实在论是正确的。而如今尽管还没严谨的实验证实，但贝尔不等式不成立的说法，已被当做物理的基本定理被写进了主流教科书。