量子糾纏真的很怪異嗎？-魔扣目錄

大多數(shù)人認(rèn)為量子力學(xué)非常怪異，正如尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）所說：“如果你不為量子力學(xué)震驚，你就沒有真正理解它。”

量子力學(xué)所預(yù)言的最令人困惑的現(xiàn)象之一是量子糾纏，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。他認(rèn)為在更加完備的理論中可以避免它的出現(xiàn)，但在1964年，約翰·貝爾（John Bell）指出，如果量子力學(xué)的預(yù)言是真的，那么在一定的合理假設(shè)下，幽靈般的超距作用一定會(huì)發(fā)生。物理學(xué)家們正在嘗試消除證實(shí)貝爾的說法所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中的漏洞。這些漏洞讓頑固派拒絕接受幽靈般的超距作用的存在。

本文呈現(xiàn)了貝爾定理在量子領(lǐng)域中的奇異之處。它使用我們?nèi)粘Ｉ钪惺煜さ奈矬w和現(xiàn)象，以一種直觀的方式對(duì)量子物理中的粒子進(jìn)行類比，在我看來，這種方法可以消除這種奇異性，或者至少讓它不顯得那么奇怪。

但首先，讓我們回顧一下貝爾定理并介紹我們面臨的難題：

假設(shè)有兩個(gè)學(xué)生，A 和 B，兩人截然相反，他們正準(zhǔn)備上一門量子力學(xué)課程。

在課程開始前 37 天（第 -37 天），他們要參加一個(gè)由 100 個(gè)回答真假的問題組成的計(jì)算機(jī)測試。對(duì)于每一個(gè)問題，A 回答為真，B 就回答為假，反之亦然——他們的答案是完全相反的。

在課程開始時(shí)（第 0 天），兩人再次參加相同的測試。但他們的回答與第一次完全不同。

37天后（第37天），他們第三次參加同樣的測試。同樣，他們的一些答案是不同的，但在所有的測試中他們的答案都始終是完全相反的。

你和一個(gè)朋友坐在不同的電腦終端上比較測試結(jié)果。你可以在任何時(shí)刻在電腦屏幕上顯示出學(xué)生 A 做的一個(gè)測試題，而你的朋友的電腦上只能顯示學(xué)生 B 做的一道題。

首先，你們兩個(gè)拿出學(xué)生做過的題目，比較他們同一天測試的結(jié)果，比如比較 A 和 B 第 -37 天的測試，依此類推。不出所料，它們都是完全相反的。接下來，比較 A 的第 0 天測試和 B 的第 -37 天的測試，在本例中，有 10 個(gè)答案是相同的。同樣，B 的第 0 天測試有 10 個(gè)答案與 A 的第 37 天測試相匹配。最后，比較 B 的 -37 天測試和 A 的 37 天測試。神奇的事發(fā)生了…

問題1：在這兩個(gè)測試中，你期望的匹配答案的最小和最大數(shù)量是多少？

問題2：如果你發(fā)現(xiàn)有36個(gè)答案匹配，你會(huì)如何解釋這個(gè)結(jié)果？

問題3：以上場景中的所有數(shù)字（–37，0，+37，10和36）來自哪里？（如果你不知道，請(qǐng)繼續(xù)閱讀以獲取提示。）

好吧，這一切和貝爾定理有什么關(guān)系？引用沃爾喬弗（ Wolchover）的話：

…當(dāng)兩個(gè)粒子發(fā)生相互作用，它們會(huì)糾纏在一起，這時(shí)就不能單獨(dú)考慮它們的概率，它們各自成為一個(gè)更加復(fù)雜的整體的一部分，我們要對(duì)整體波函數(shù)進(jìn)行考慮。這個(gè)函數(shù)可以告訴我們兩個(gè)糾纏光子在相互垂直的方向上偏振，兩個(gè)光子有一定概率處于A垂直偏振，B水平偏振的狀態(tài)，也有可能相反。這兩個(gè)光子可以相隔數(shù)光年的距離，但它們?nèi)匀皇锹?lián)系在一起的：測量光子A是垂直偏振的，光子B瞬間就變成了水平偏振，即使B的狀態(tài)在測量前的一瞬間沒有被指明，而且沒有信號(hào)在它們之間傳播。這就是愛因斯坦在20世紀(jì)30年代和40年代反對(duì)量子力學(xué)完備性的討論中提到的“詭異行為”。

1964年，北愛爾蘭物理學(xué)家約翰·貝爾（John Bell）找到了一種方法來檢驗(yàn)這個(gè)看起來很矛盾的概念。他指出，如果粒子即使在沒有人觀測的情況下也有確定的狀態(tài)（一個(gè)被稱為“實(shí)在論”的概念），如果確實(shí)沒有信號(hào)比光傳播得快（“局域性”），那么在兩個(gè)粒子之間觀測到關(guān)聯(lián)性會(huì)有一個(gè)上限。但實(shí)驗(yàn)一再表明，糾纏粒子的關(guān)聯(lián)性比貝爾提到的上限更大，這些結(jié)果有利于激進(jìn)的量子世界觀而非局部實(shí)在論。

這些實(shí)驗(yàn)直接反映了我們面臨的難題。A 和 B 的同一天測試是極化方向不同的光子，而你和你的朋友是實(shí)驗(yàn)者。測試的日期代表了你們各自偏振片的角度，以度為單位。如果偏振片在同一角度（同一天的測試），光子偏振方向是100%反相關(guān)的，就像學(xué)生測驗(yàn)的結(jié)果一樣。由于兩種情形是同構(gòu)的，我們應(yīng)該能用學(xué)生測試之間的相關(guān)性來說明糾纏光子之間的相關(guān)性，對(duì)于相同的角度（天）結(jié)果應(yīng)該是一樣的。

這里存在一個(gè)假設(shè)：已經(jīng)完成的測試具有明確的答案，評(píng)分時(shí)它們之間不應(yīng)該存在相互干擾，考官可以任意選擇A的測試結(jié)果和B的測試結(jié)果。對(duì)于不同角度的偏振片，量子力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)給出，兩個(gè)光子之間的相關(guān)性公式為 1–cos²（θ/2），其中θ是兩個(gè)偏振器之間的角度。這種看似簡單相關(guān)函數(shù)無法在在前面提到的假設(shè)中得到：如果你取一個(gè)特定的角度計(jì)算關(guān)聯(lián)性（A和B在給定天數(shù)內(nèi)的測試之間的相關(guān)性）并用它來計(jì)算角度放大一倍時(shí)關(guān)聯(lián)性的最大值（A和B的相隔兩倍時(shí)間的測試之間的相關(guān)性），那么差異就非常明顯了。糾纏光子之間的關(guān)聯(lián)比學(xué)生測試之間的關(guān)聯(lián)要高得多。這是糾纏粒子的量子力學(xué)關(guān)聯(lián)如何打破所謂的“貝爾不等式”的一個(gè)例子。

問題4：使用上述公式，在上述三個(gè)假設(shè)下，角度為2θ時(shí)的實(shí)際相關(guān)性與根據(jù)給定的角度θ的相關(guān)性推算出的2θ的相關(guān)性最大值之間最大可能差異是什么？最大可能的差異發(fā)生在偏振片夾角為多少時(shí)？

如果你認(rèn)真地按照上面的計(jì)算，你就不可避免地得出這樣的結(jié)論：兩個(gè)光子的偏振，只能通過測量在測量瞬間得到特定的值。無法用我們平時(shí)看到的現(xiàn)象解釋這一結(jié)果，是嗎？

但是等一下，讓我們定性地考慮一下量子物理的奇異性，即一對(duì)處于糾纏態(tài)的粒子，它們的屬性是在測量的瞬間被確定下來的。如果你不是把光子想象成固體粒子，而是類似于插圖中那樣拉長的氣球呢？假設(shè)水平偏振的光子氣球是紅色氣球，而垂直偏振光子是藍(lán)色氣球。在接下來的內(nèi)容中，不要把重點(diǎn)放在如何用真實(shí)氣球?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)的機(jī)制上，而是要關(guān)注氣球狀物體在這種設(shè)置下的行為。當(dāng)糾纏在一起的光子朝相反的方向飛行，想象一下它們實(shí)際上就像伸長的氣球緊緊地纏繞在一起，每個(gè)氣球都以光速向兩個(gè)方向飛行。如果每個(gè)氣球都在你可接觸的范圍內(nèi)，如果你抓住其中一個(gè)（進(jìn)行一次測量），那么你就可以找到另外一個(gè)。想象一下，當(dāng)進(jìn)行測量時(shí)會(huì)隨機(jī)刺穿兩個(gè)糾纏在一起的氣球中的一個(gè)。這導(dǎo)致了兩個(gè)氣球立即分離并漏氣，而沒有被刺穿的氣球，現(xiàn)在不再被固定，它會(huì)迅速彈回到另一端（我們拽橡皮筋時(shí)經(jīng)常遇到類似現(xiàn)象）。很容易看出為什么氣球一端的顏色與另一端的顏色相反。這個(gè)易于可視化的模型展現(xiàn)出測量是如何在廣闊的空間內(nèi)對(duì)屬性進(jìn)行選擇的。

這兩項(xiàng)測量如何在相距數(shù)光年的距離內(nèi)進(jìn)行的？兩端的結(jié)果之間不會(huì)有巨大的差別嗎？當(dāng)我說氣球瞬間解糾纏時(shí)，我的意思是這個(gè)過程一瞬間完成——上面提到的彈回的速度比光速還快! 然而，在這個(gè)模型中，粒子的無限延伸和超光速不是最關(guān)鍵的問題：這些性質(zhì)并沒有直接體現(xiàn)在量子力學(xué)的數(shù)學(xué)中。量子力學(xué)規(guī)定粒子擁有一個(gè)有限的概率幅，波函數(shù)塌縮并不能傳輸信息。因此，這種可視化方法隱藏了量子力學(xué)的怪異之處，并且不違反任何量子力學(xué)定律（但這只是一種可視化方案，并不代表事實(shí)就是這樣的）。

目前，這種通過氣泡或彈性氣球來可視化量子物體的想法只是一個(gè)有趣的啟發(fā)式練習(xí)。我們能用它來建立一個(gè)看起來不那么奇怪的理論嗎？讓我們拭目以待吧。

作者：Pradeep Mutalik

翻譯：Nothing

審校：Nuor

原文鏈接：

https://www.quantamagazine.org/how-to-tame-quantum-weirdness-20170216/

封圖來源：

http://saintlaika.com/2017/04/21/madpriest-prayer-schrodingers-cat/

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