科学中最奇特的现象——再谈量子纠缠

在上文《量子纠缠：科学中最奇特的现象》（《科普时报》2018年5月25日第3版：https://www.toutiao.com/i6559182324750090765/）中，我试图用最浅显的语言介绍量子纠缠，最后写道，尽管爱因斯坦由于对量子理论的贡献获得了诺贝尔奖（并非创立了相对论），但他强烈质疑量子纠缠，将其称为“超距幽灵作用”，意思是不可能存在的事实。可是，直到爱因斯坦去世，甚至与爱因斯坦在量子力学上互掐几十年的老哥们儿玻尔也去世了，这个问题依然悬而未决。

直到12年之后的1967年，爱因斯坦的粉丝约翰·克劳泽，一个即将获得哥伦比亚大学天体物理学的博士，坚信爱因斯坦对量子纠缠的质疑是正确的。他暗想，只有用事实（即物理实验）才能证明量子纠缠现象是不存在的。

可有意思的是，他曾回忆，“我还是研究生的时候，不管再怎样努力，还是搞不懂量子力学。”一个甚至搞不懂量子力学的物理界新手，有可能接棒爱因斯坦挑战量子力学的使命吗？

科学中最奇特的现象 ——再谈量子纠缠

文/陈思进

1967年，约翰·克劳泽读到了一篇改变了他一生的晦涩难懂的论文，作者是一位默默无闻的爱尔兰物理学家约翰·贝尔。令人讶异的是，贝尔似乎已经找到了一种方法，可以打破爱因斯坦与玻尔之间的僵局，一劳永逸地决定谁对宇宙的看法是正确的。

读完这篇论文后，克劳泽明白了贝尔已经发现如何去分辨缠结的粒子，究竟是透过幽灵般的作用彼此联络（像量子酒吧里配了对的旋转轮盘那样），还是根本就没有什么幽灵，那对粒子从一开始就那样（就像爱因斯坦提到的那对手套一样）。

在那篇论文中，贝尔借助一些聪明的数学算式，表明如果那些幽灵作用并不存在，那么量子力学也并不仅仅像爱因斯坦所想的只是一门不完备的科学，而可能根本就是错的，这就是著名的贝尔不等式（篇幅有限，就不具体介绍了）。克劳泽回忆说：“我的结论是，天哪，这正是我所要的东西！”

贝尔是一位理论学家，不过，他论文的提议是，能否解决这个问题，取决于能否建造一架能生成并比较多对缠结粒子的机器。贝尔把爱因斯坦对量子纠缠的质疑，转化成了一个实验问题，而不仅仅好似一个哲学问题。贝尔认为，只要能建造出这样一架机器，就能通过实验来解决这个争议。

于是，克劳泽开始着手建造这样的机器，对于当时的他来说，那简直是一个不可能的任务。但无论机会多么渺茫，最后他终于造出了机器，实验结果震撼了世界！

克劳泽的机器可以测量数千对缠结粒子，并就各个不同方向对它们做比较。可是结果出来后，与他原来的想象竟然完全不一样！克劳泽相当诧异，他自问，究竟是哪儿出错了？

克劳泽很不甘心，不断重复着他的实验。但是无论他进行多少次试验，结果都证明在量子力学之中，贝尔不等式不成立，而恰恰反倒证明了爱因斯坦对量子纠缠的质疑是错误的。也就是说，克劳泽的实验证明了量子纠缠现象是客观的存在。

没过多久，法国物理学家阿兰·阿斯佩在克劳泽的基础上，开发出更精巧的试验，直指爱因斯坦与玻尔辩论的核心。

阿斯佩的实验中，唯一能够测量出一个粒子透过讯号传递，直接影响另一个粒子的可能，就是这个讯号要比光速还快，但这恰恰是连爱因斯坦自己都认为是绝对不可能的事情。那么剩下的唯一解释，这就是“幽灵”作用——量子纠缠。

克劳泽和阿斯佩的这些实验结果令人震惊不已，证明了量子力学的那个预测方程式是对的，即量子纠缠现象是客观的存在，量子的确可以超越空间彼此联系，只要测量其中一个，事实上就会立刻影响到它的远方伴侣。好似其间的空间根本不存在一样。换句话说，爱因斯坦认为不可能的超距幽灵作用，结果是真实的存在。

至此，克劳泽和阿斯佩的实验回应了爱因斯坦的所有质疑。但是，克劳泽对此却难过不已，没想到自己接棒爱因斯坦挑战量子力学失败了，还恰恰证明了量子纠缠的客观存在。

迄今为止，量子纠缠是科学上最诡异的现象，但显然量子世界就是这样运作的，事实胜于雄辩。

如果我们接受这个世界就是依照这种“诡异”的方式运作，我们就可以利用这种纠缠粒子的超距作用，做些有用的事情，如人类一直梦想有一天能以某种方式直接将东西甚至人本身，从一处瞬间传递到另一个地方，不用经过中间的空间，也就是“瞬间移动”，这也是我正在创作的科幻长篇系列小说《超越时空》中的科学基础之一。

后来，科学家们无论是否看懂了量子力学，都接受了量子力学，因为它的理论和实验结果完全相符，是一个极其成功的理论，并成为几乎所有现代科学技术的基础。甚至可以这样说，如果没有量子力学的应用，手机、电脑和互联网都将不复存在，我这会儿也不可能敲打键盘写文章了。