《量子物理史话》
作者：曹天元
剪辑：缘和
神奇的量子纠缠现象：在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，都一直保持着纠缠的关系。对一个粒子扰动。另一个粒子（不管相距多远，1米还是1光年）立即就知道了。
这种反应是瞬时的，超越了我们的四维时空，不需要等到很久信号传递到那边。这边一动，那边不管有多遥远，立即就知道了，即一个地方发生的事情立即影响到很远的地方。这说明，看起来互不相干的、相距遥远的粒子甲和乙在冥冥之中存在着联系。
《量子物理史话》是关于量子论的故事。量子论是一个极为奇妙的理论：让你惊叹的，不仅仅是沿途那令人眼花缭乱的绚丽风景，更来自于你内心深处的思索和启示。
这本说启示我们：因为量子纠缠等现象，这种非局域性表明物体或宇宙具有整体性。
非局域性表明物体之间存在现代科学还认识不到的内在联系，所显示的整体性大于组成整体的个体之和，这和实证科学的假设相抵触。
编者记于2014年11月9日。
一九八二年，法国物理学家艾伦爱斯派克特和他的小组成功地完成了一项实验：
证实了微观粒子之间存在着一种叫作“量子纠缠”的关系。
在试验中，一对光子中的一个发生偏振，12米外的另一个产生了感应，发生了反方向的偏振。
结论是：
在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，都一直保持着纠缠的关系。
对一个粒子扰动。另一个粒子（不管相距多远，1米还是1光年）立即就知道了。
量子纠缠已经被世界上许多试验室证实，许多科学家认为量子纠缠的实验证实是近几十年来科学最重要的发现之一。
虽然人们对其确切的含义目前还不太清楚，但是对哲学界、科学界和宗教界已经产生了深远的影响，对西方科学的主流世界观产生了重大的冲击。
量子力学自诞生之日起，周围就充满了物理学家们对它的疑虑与争论，争论双方一方是以玻尔为首量子力学的捍卫派：他们坚信量子力学是对物质世界客观真实的描述；
另一方则是以爱因斯坦为首的怀疑派，他们坚信量子力学并不是对物质世界客观真实的描述，它背后隐藏符合相对论局域实在的更深层次理论。
这场争论旷日持久，随着1935年“薛定谔猫”和“EPR佯谬的提出而达到顶峰。
EPR是爱因斯坦与他当时手下两个研究生，三人姓氏开头字母的缩写。
他们于1935联名发表一篇论文，以思想实验结论的方式对量子力学的完备性提出了质疑。
爱因斯坦局域（定域）实在论观点：
1、物理实在是独立观测者而客观存在的。
2、两粒子间信息（或相互作用）传递速度不可超过光速，不存在超距作用。
爱因斯坦等人考虑两个粒子A 和B 组成的一对总动量总自旋为零的粒子对（称为 EPR 对）。
两个粒子随后在空间上分开距离很大，以至对粒子A 进行的任何物理操作都不会对粒子B 产生干扰。
玻尔则持完全相反的看法，他认为粒子 A 和 B 之间存在着量子关联，不管它们在空间上分得多开，对其中一个粒子实行局域操作（如上述的测量），必然会瞬间（超光速）导致另一个粒子状态的改变，这就是量子力学的非局域性。
EPR佯谬揭示了这样一个现实：如果量子力学是完备的理论体系，那么它与相对论有着本质上不可调和的矛盾。
真实世界是遵从爱因斯坦的局域实在论，还是玻尔的非局域性理论？
这场争论一直持续多年无果。
1951年普林斯顿大学的玻姆率先提出了隐藏在量子力学背后，符合局域实在论的“隐变量”理论，量子力学是它的近似。
1964年，贝尔提出任何符合爱因斯坦局域实在论的隐变量理论都将不能和量子力学相容，并用玻姆的理论对实验推导出了一个不等式，即有名的“贝尔不等式”。
|Pxz－Pzy|≤1＋Pxy
如果隐变量理论正确，那么试验结果会符合这个不等式，如果量子力学正确，结果则相反。
从1982年以来，世界各地陆续的试验结果均不同程度地违反了贝尔不等式，于是这场物理学的世纪争论便有了一个了断：
1、量子力学是正确的，它背后不存在隐变量理论。
2、量子力学不符合局域实在论，EPR佯谬恰恰反映了量子力学本质上的非局域性。
回首这场争论，玻尔一直处于防守姿态（缺乏物理上说服他人的道理），而爱因斯坦的进攻则一直触摸到了量子力学的本质，显然爱因斯坦对物质世界的理解要更深一些。
因此与其说是玻尔赢得了这场胜利，到不如说爱因斯坦输给了神秘的大自然。
我们把EPR对这种两个粒子之间的非定域关联称做“纠缠”（属于可用一个波函数描述的纯态）
对其中一个粒子的测量可以使另一个粒子瞬间非定域地坍缩到某个态上（例如测得粒子A自旋向上，那么粒子B自旋坍缩到向下状态，反之亦然。）
那么是否可以用它传递信息？EPR与传统信息学的结合导致量子信息学应运而生。
在隐变量理论中，我们对于两个粒子的描述是符合常识的：无论观察与否，两个粒子始终存在于客观现实之内，它们的状态从分裂的一霎那起就都是确定无疑的。
假如我们禁止宇宙中有超越光速的信号传播，那么理论上当我们同时观察两个粒子的时候，它们之间无法交换任何信息，它们所能达到的最大协作程度仅仅限于经典世界所给出的极限。
如果世界的本质是经典的，具体地说，如果我们的世界同时满足：
1.定域的，也就是没有超光速信号的传播。
2.实在的，也就是说，存在着一个独立于我们观察的外部世界。
也就是说，假如上帝是爱因斯坦所想象的那个不掷骰子的慈祥的“老头子”，那么贝尔不等式就是他给这个宇宙所定下的神圣的束缚。
不管我们的观测方向是怎么取的，在EPR实验中的两个粒子决不可能冒犯他老人家的尊严，而胆敢突破这一禁区。
事实上，这不是敢不敢的问题，而是两个经典粒子在逻辑上根本不具有这样的能力：它们之间既然无法交换信号，就决不能表现得亲密无间。
但是，量子论的预言就不同了：
在一个量子主宰的世界里，A和B两粒子在相隔非常遥远的情况下，在不同方向上仍然可以表现出很高的协作程度，以致于贝尔不等式不成立。
这在经典图景中是决不可能发生的。
看起来，似乎是A和B之间有一种神奇的心灵感应，使得他们即使相隔万里，仍然反应出奇地一致！
量子世界的 A和B，即使他们相隔万里，仍然合作无间，按照哥本哈根解释：
这是因为在具体反应之前，两个粒子根本不存在于“实在”之中，而是合为一体。
按照波函数弥漫，用薛定谔发明的术语来说，在观测之前，两个人(粒子)处在一种“纠缠”的状态，他们是一个整体，具有一种“不可分离性”！
这样说当然是简单化的，具体的条件还是我们的贝尔不等式。
总而言之，如果世界是经典的，那么在EPR中贝尔不等式就必须得到满足，反之则可以突破。
我们手中的这个神秘的不等式成了判定宇宙最基本性质的试金石，它仿佛就是那把开启奥秘之门的钥匙，可以带领我们领悟到自然的终极奥义。
而最叫人激动的是，和胡思乱想的一些实验（比如说疯狂的量子自杀）不同，EPR不管是在技术或是伦理上都不是不可实现的！
我们可以确实地去做一些实验，来看看我们生活其中的世界究竟是如爱因斯坦所祈祷的那样，是定域实在的，还是它的神奇终究超越我们的想象，让我们这些凡人不得不怀着更为敬畏的心情去继续探索它那深深隐藏的秘密。
1964年，贝尔把他的不等式发表在一份名为《物理》的杂志的创刊号上，题为《论EPR佯谬》。
这篇论文是20世纪物理史上的名篇，它的论证和推导如此简单明晰却又深得精髓，教人拍案叫绝。
1973年诺贝尔物理奖得主约瑟夫森把贝尔不等式称为“物理学中最重要的新进展”，斯塔普（就是我们前面提到的，鼓吹精神使波函数坍缩的那个）则把它称作“科学中最深刻的发现”。
不过，《物理》杂志却没有因为发表了这篇光辉灿烂的论文而得到什么好运气，这份期刊只发行了一年就倒闭了。
如今想要寻找贝尔的原始论文，最好还是翻阅他的著作《量子力学中的可道与不可道》
在这之前，贝尔发现了冯诺伊曼的错误，并给《现代物理评论》杂志写了文章。虽然因为种种原因，此文直到1966年才被发表出来，但无论如何已经改变了这样一个尴尬的局面：
即一边有冯诺伊曼关于隐函数理论不可能的“证明”，另一边却的确存在着玻姆的量子势！冯诺伊曼的封咒如今被摧毁了。
现在，贝尔显得踌躇满志：通往爱因斯坦梦想的一切障碍都已经给他扫清了，冯诺伊曼已经不再挡道，玻姆已经迈出了第一步。
而他，已经打造出了足够致量子论以死命的武器，也就是那个威力无边的不等式。
贝尔对世界的实在性深信不已，大自然不可能是依赖于我们的观察而存在的，这还用说吗？
现在，似乎只要安排一个EPR式的实验，用无可辩驳的证据告诉世人：
无论在任何情况下，贝尔不等式也是成立的。
粒子之间心灵感应式的合作是纯粹的胡说八道，可笑的妄想，量子论已经把我们的思维搞得混乱不堪，是时候回到正常状况来了。
量子不确定性……嗯，是一个漂亮的作品，一种不错的尝试，值得在物理史上获得它应有的地位，毕竟它管用。但是，它不可能是真实，而只是一种近似！
更为可靠，更为接近真理的一定是一种传统的隐变量理论，它就像相对论那样让人觉得安全，没有骰子乱飞，没有奇妙的多宇宙，没有超光速的信号。
是的，只有这样才能恢复物理学的光荣，那个值得我们骄傲和炫耀的物理学，那个真正的，庄严的宇宙的立法者，而不是靠运气和随机性来主宰一切的投机贩子。
只是贝尔似乎忘了一件事：威力强大的武器往往都是双刃剑。
玻尔还是爱因斯坦？那就是个问题。
物理学家们终于行动起来，准备以实践为检验真理的唯一标准，确确实实地探求一下，究竟世界符合两位科学巨人中哪一位的描述。
玻尔和爱因斯坦的争论本来也只像是哲学上的一种空谈。
泡利有一次对波恩说，和爱因斯坦争论量子论的本质就像以前人们争论一个针尖上能坐多少个天使一般虚无飘渺，但现在已经不同，我们的手里现在有了贝尔不等式。
两个粒子究竟是乖乖地臣服于经典上帝的这条神圣禁令，还是它们将以一种量子革命式的躁动蔑视任何桎梏，突破这条看起来庄严而不可侵犯的规则？
如今我们终于可以把它付诸实践，一切都等待着命运之神最终的判决。
1969年，Clauser等人改进了玻姆的EPR模型，使其更容易实施。
随即人们在伯克利，哈佛和德州进行了一系列初步的实验，也许出乎贝尔的意料之外，除了一个实验外，所有的实验都模糊地指向量子论的预言结果。
但是，最初的实验都是不严密的，和EPR的原型相去甚远，人们使原子辐射出的光子对通过偏振器，但技术的限制使得在所有的情况下，我们只能获得单一的＋的结果，而不是＋和－，所以要获得EPR的原始推论仍然要靠间接推理。而且当时使用的光源往往只能产生弱信号。
随着技术的进步，特别是激光技术的进步，更为精确严密的实验有了可能。
进入80年代，法国奥赛理论与应用光学研究所里的一群科学家准备第一次在精确的意义上对EPR作出检验，领导这个小组的是阿莱恩·阿斯派克特。
法国人用钙原子作为光子对的来源，他们把钙原子激发到一个很高的量子态，当它落回到未激发态时，就释放出能量，也就是一对对光子。
实际使用的是一束钙原子，但是可以用激光来聚焦，使它们精确地激发，这样就产生了一个强信号源。
阿斯派克特等人使两个光子飞出相隔约12米远，这样即使信号以光速在它们之间传播，也要花上40纳秒（ns）的时间。
光子经过一道闸门进入一对偏振器，但这个闸门也可以改变方向，引导它们去向两个不同偏振方向的偏振器。
如果两个偏振器的方向是相同的，那么要么两个光子都通过，要么都不通过，如果方向不同，那么理论上说（按照爱因斯坦的世界观），其相关性必须符合贝尔不等式。
为了确保两个光子之间完全没有信息的交流，科学家们急速地转换闸门的位置，平均10ns就改变一次方向，这比双方之间光速来往的时间都要短许多，光子不可能知道对方是否通过了那里的偏振器。
作为对比，我们也考察两边都不放偏振器，以及只有一边放置偏振器的情况，以消除实验中的系统误差。
那么，现在要做的事情，就是记录两个光子实际的协作程度。如果它符合贝尔不等式，则爱因斯坦的信念就得到了救赎，世界回复到独立可靠，客观实在的地位上来。
反之，则我们仍然必须认真地对待玻尔那看上去似乎神秘莫测的量子观念。
时间是1982年，暮夏和初秋之交。七月流火，九月授衣，在时尚之都巴黎，人们似乎已经在忙着揣摩今年的秋冬季将会流行什么样式的时装。
只是，有多少人知道，在不远处的奥赛光学研究所，一对对奇妙的光子正从钙原子中被激发出来，冲向那些命运交关的偏振器；
我们的世界，正在接受一场终极的考验，向我们揭开她那隐藏在神秘面纱后面的真实面目呢？
如果爱因斯坦和玻尔神灵不昧，或许他们也在天国中注视着这次实验的结果吧？
一对，两对，三对……数据逐渐积累起来了。1万2千秒，也就是3个多小时后，结果出来了。科学家们都长出了一口气。
爱因斯坦输了！
实验结果和量子论的预言完全符合，而相对爱因斯坦的预测却偏离了5个标准方差——这已经足够决定一切。
贝尔不等式这把双刃剑的确威力强大，但它斩断的却不是量子论的辉光，而是反过来击碎了爱因斯坦所执着信守的那个梦想！
阿斯派克特等人的报告于当年12月发表在《物理评论快报》上，科学界最初的反应出奇地沉默。
大家都知道这个结果的重要意义，然而似乎都不知道该说什么才好。
爱因斯坦输了？这意味着什么？
难道这个世界真的比我们所能想象的更为神秘和奇妙，以致于我们那可怜的常识终于要在它的面前破碎得七零八落？
这个世界不依赖于你也不依赖于我，它就是“在那里存在着”，这不是明摆着的事情吗？
为什么站在这样一个基本假设上所推导出来的结论和实验结果之间有着无法弥补的鸿沟？是上帝疯了，还是你我疯了？
全世界的人们都试图重复阿斯派克特的实验，而且新的手段也开始不断地被引入，实验模型越来越靠近爱因斯坦当年那个最原始的EPR设想。
马里兰和罗切斯特的科学家们使用了紫外光，以研究观测所得到的连续的，而非离散的输出相关性。
在英国的Malvern，人们用光纤引导两个纠缠的光子，使它们分离4公里以上，而在日内瓦，这一距离达到了数十公里。即使在这样的距离上，贝尔不等式仍然遭到无情的突破。
另外，按照贝尔原来的设想，我们应该不让光子对“事先知道”观测方向是哪些，也就是说，为了确保它们能够对对它们而言不可预测的事件进行某种似乎不可思议的超距的合作（按照量子力学的预测），我们应该在它们飞行的路上才作出随机的观测方向的安排。
在阿斯派克特实验里，我们看到他们以10ns的速度来转换闸门，然而他们所能够使两光子分离的距离12米还是显得太短，不太保险。
1998年，奥地利因斯布鲁克大学的科学家们让光子飞出相距400米，这样他们就有了1.3微秒的时间来完成偏振器的随机安排。
这次时间上绰绰有余，其结果是如此地不容置疑：爱因斯坦这次输得更惨——30个标准方差！
1990年，GHZ（以三人名字的首字母命名）向人们展示了：
就算不用到贝尔不等式，我们也有更好的方法来昭显量子力学和一个“经典理论”（定域的隐变量理论）之间的尖锐冲突，这就是著名的GHZ测试，它牵涉到三个或更多光子的纠缠。
2000年，潘建伟等人在自然杂志上报道，他们的实验结果再次否决了定域实在，也就是爱因斯坦信念的可能性——8个标准方差！
2003年又报道了：产生于两个独立源的光子对于贝尔不等式的违反；在单中子的干涉测量中发现了突破类贝尔关系的结果。
在世界各地的实验室里，粒子们都顽强地保持着一种微妙而神奇的联系。
仿佛存心要炫耀它们的能力般地，它们一再地嘲笑经典世界给它们定下的所谓不可突破的束缚，一次又一次把那个被宣称是不可侵犯的教条踩在脚下。
这一现象变得如此地不容置疑，在量子信息领域已经变成了测试两个量子比特是否仍然处在纠缠状态的一种常规方法（有一个好处是可以知道你的信息有否被人中途窃听！）。
尽管我们也许会在将来做出更多更精密的实验，但总体来看，在EPR中贝尔不等式的突破是一个无可辩驳的事实。
或许在未来，新的实验会把我们目前的结论全部推翻，让世界恢复到经典的面目中去，但从目前来看，这种可能性是微乎其微的。
量子纠缠现象向我们揭示（编者注）：
阿斯派克特的量子纠缠的实验证实表明，西方科学的主流世界观是有严重缺陷的。
从笛卡儿、伽利略、牛顿以来，西方科学的主导世界观是：宇宙是一个巨大的机器，没有意识，没有目的，宇宙的组成部份相互独立，它们之间的相互作用受到时空的限制（即是局域化的），可以通过研究个体来认识整体，整体是个体之和。
现代科学是实证科学。实证科学就是在这种世界观的前提下发展的，把物体分割成越来越小的个体，认为通过研究这些个体就可以认识整体。
典型的例子是机械制造，一个机器的整体就是所有零件之和。
实证科学甚至把人也当成象机器一样来处理，西医的“头痛医头，脚疼医脚”用的就是这种方法。
量子纠缠证实了爱因斯坦不喜欢的“超距作用”是存在的。
量子纠缠超越了我们人生活的四维时空，不受四维时空的约束。
构成物质的基本元素量子是非局域的，宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。
其实微观粒子的这些特征和人的意识相似。
现在越来越多的人相信，随着科学在量子力学上的重大的突破，一个新的世界观的时代就要来临。
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