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EPR佯缪与量子纠缠
文章来源  科学网刘山亮的博客  2018-5-2 15:59 

 量子力学的建立不仅奠定了当代科学的基础,而且在推动当代技术革命方面取得了惊人的成功。然而,对量子力学的诠释自爱因斯坦和玻尔旷世之争以来,至今众说纷纭,各执一词,并无共识。
​    1935年,爱因斯坦 (A. Einstein)、波多尔斯基(B. Podolsky)和罗森 (N. Rosen)三人发表了题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?》的论文。本文首先提出了一个完备的物理理论的必要条件:物理实在的每一要素都必须在物理理论中有一个对应量。接着提出了物理实在的充分条件:如果在没有任何扰动的情况下能够确切地预言一个物理量的值,那么就存在一个物理实在与该物理量对应。然后,根据量子力学的哥本哈根诠释得到如下结论:当一个粒子的动量已知时,它的坐标就不具有物理实在性;一个物理实在能用两个不同的波函数描述。作为论证实例, 文章分析了由总动量为零的两个相同粒子组成的复合体系。论证方法是反证法。论证的依据是量子力学的哥本哈根诠释。论证逻辑是:假定波函数对动量和位置的量子力学描述是完备的,在测量第一个粒子动量p后,两个粒子均塌缩到各自的动量本征态中,第二个粒子的动量值必为-p, 动量不确定度为零。接着测量第二个粒子的位置,两个粒子均塌缩到各自的位置本征态中,坐标不确定度为零。于是动量和位置能够同时具有确定的值,与不确定原理矛盾。由此得到结论:波函数对动量和位置的量子力学描述是不完备的。这就是著名的“EPR佯谬”。
​  赞同EPR论证者对此并不认同。他们认为,EPR论证揭示了哥本哈根诠释的内在矛盾,在逻辑上没有什么毛病,哥本哈根诠释是真缪,而不是“佯谬”。
EPR论证引起了又一轮激烈的争论几个月后,玻尔以同一题目发表了一篇反驳EPR的论文。文中指出,EPR所说的“不以任何方式干扰系统”的说法是含混不清的,对所述系统的力学干扰实际上是不可避免的,从而EPR论证不足以支持他们的结论。玻尔的反驳能令爱因斯坦信服爱因斯坦等人一直没有改变他们的观点。

 事实上,像电子和原子核这样的微观粒子与宏观粒子一样服从经典或相对论力学运动方程,其动量和位置不仅同时具有确定的值,而且可以由运动方程同时确定性地预言。著名的卢瑟福散射公式就是由经典力学推导出来的。该公式给出了微分散射截面(几率)与散射角和其它参数的关系,不仅得到了实验的验证,证明了原子的核式结构,而且能够估计原子核的大小。另一个著名的例子是玻尔根据经典力学和量子化条件提出的氢原子理论,该理论不仅给出了氢原子的能级结构,而且非常成功地解释或预言了氢原子的光谱结构和规律。这说明经典力学即使对处于束缚态的微观粒子仍是适用的。与宏观粒子不同的是,处于束缚态的这些微观粒子不仅要满足力学运动方程,而且还要满足量子化条件。另一方面,相对论力学运动方程作为粒子物理理论和实验研究的基础,已经得到广泛的应用和实验检验。用于粒子物理实验的谱仪能够用其中的丝室测量每个粒子路径的三维信息,从而确定每个粒子在不同位置的动量、电荷和角度。由此可见,一个粒子的动量和位置不仅同时具有确定的值,而且能够确定地预言和精确地测量。不过,以上所述并不能证明测不准关系是错误的,只说明测不准关系对单个粒子是不适用的。

 两个总动量已知的微观粒子分离开后,这两个粒子的动量和位置具有确定的关联,通常称为量子关联或量子纠缠。与宏观粒子的情形类似,当这两个微观粒子远离且无相互作用时, 如果测量得到一个粒子的动量和位置,就可以知道或确定地预言另一个粒子的动量和位置,对其中一个粒子进行测量不影响另一个粒子的状态。这种观念是粒子物理中粒子产生、探测和鉴别的理论基础,已经得到广泛的应用和实验检验。这足以证明玻尔对EPR论证的反驳不会是正确的。

 根据哥本哈根诠释,在测量前,两个粒子同时处于其动量纠缠(叠加)态所包含的每一状态中;在测量第一个粒子动量后,不仅第一个粒子塌缩到本征值为p的动量本征态中,而且第二个粒子也同时塌缩到本征值为-p的动量本征态中,而两个粒子的位置则是完全不确定的;对一个粒子的测量会影响第二个粒子的状态。这种诠释无法回答下列问题:(1)是什么作用导致了第二个粒子的塌缩?(2)如果对第一个粒子的测量不会对第二个粒子产生影响或作用,那么第二个粒子为什么会同时塌缩到它的动量本征态中?此外,对量子纠缠的这种诠释与粒子物理学的理论和实验结果是不相容的。由此可见,对量子纠缠的这种波包塌缩诠释不仅是不必要的,而且不会是正确的。

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