量子纠缠态

玻尔和爱因斯坦之间的第三次争论应该发生在1933年的第七届索尔维会议上。然而，爱因斯坦未能出席会议。他被纳粹驱逐出欧洲，刚刚抵达美国，因旅途劳顿，被普林斯顿高等研究院聘为教授。黛博拉和薛定谔出席了会议，但是当薛定谔看到没有领袖时，他不想说话。黛博拉，据说是法国贵族的花花公子，用一张一页纸的纸送走了他五年的博士生涯。他怎么能有精神和这些人争论呢？这大大减轻了波尔的负担。哥本哈根派在会上表演了独角戏。量子理论似乎有一个坚实的基础，争议似乎已经解决。

然而，爱因斯坦毕竟是一个伟大的人，不容易承认。此外，那是上帝的使命:引导物理！无论是发起还是质疑，无论是通过各种手段带领军队前进，还是转身进行一场口水战，结果都是顺应天意:让物理之兽摆脱困境，继续前进。尽管当时他因战争而*，他的妻子也病重，但已经到了知晓命运的年龄的爱因斯坦从未忘记他神圣的“命运”。

作者的老师、论文委员会成员之一约翰·惠勒曾经在一次聚会上给作者讲了一个爱因斯坦的故事:1948年，在惠勒的指导下，普林斯顿的费曼完成了他的博士论文。基于惠勒早期的想法，他开创了用路径积分表达量子力学的方法。那时，惠勒曾经给爱因斯坦看过费曼的论文，并对他说:“这是一份好工作，不是吗？”他还问爱因斯坦，“现在，你应该相信量子理论的正确性！”爱因斯坦思考了很久。他的脸色有点苍白，闷闷不乐地说，“也许我在什么地方犯了一个错误。不过，我还是不相信老人(上帝)会掷骰子！”

回到爱伦坡的第三次辩论:爱因斯坦第一次来到普林斯顿时不熟悉他的语言，他的生活并不顺利。因此，他不能独自站立和战斗。他找到了两个合作者，形成了一个物理学家称之为不合适的组合。

鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森是爱因斯坦在普林斯顿高等研究院的助手。1935年3月，他们和爱因斯坦签署的EPR论文发表在《物理评论》杂志上。这篇文章描述了一个悖论。此后，人们以三位署名物理学家名字的第一个字母命名它为“电子顺磁共振悖论”。

在电子顺磁共振文本中，用粒子的坐标和动量来描述爱因斯坦设想的理想实验，数学表达式非常复杂。后来，波姆用电子自旋来描述EPR悖论，这更简单，更容易理解。电子顺磁共振论文涉及“量子纠缠态”的概念。爱因斯坦和其他三位作者还没有采用这个术语。(薛定谔第一次提到“纠缠”这个名字是在电子顺磁共振报告发表后不久，他骄傲地拿出他那只可怕的猫。因此，让我们首先解释什么是纠缠。

读者应该还记得我们解释的“量子叠加态”。叠加态的概念已经贯穿了我们的系列文章。从薛定谔的猫到在双缝实验中有自我分裂技术的孙悟空，这些奇怪的“叠加态”不都是错的吗？然而，本文先前对叠加态的解释都是针对一个粒子的。如果将叠加态的概念应用于两个以上粒子的系统，就会产生一些奇怪的现象。这些奇怪行为的专利应该归功于“量子纠缠态”。

例如，我们考虑一个双粒子量子系统。也就是说，有两个孙悟空会忙着一起住在一个房间里，会发生什么样的情况？所有的情况都分为两类。一是两对孙悟空不打架，只和自己的成员一起玩。在这种情况下，系统可以被视为由两个独立的粒子组成，没有任何有趣的新东西。

另一种情况，就是两对孙悟空是相互关联的。我们用“纠缠”这个词来描述它们之间的相关性。也就是说，在这种情况下，两对量子猴王相互“纠缠”，密不可分。有趣的是，在未来，一些人会站出来证明量子猴王之间的亲密关系超出了我们普通人的理解，可以超越我们在这个“经典”世界所能达到的任何境界或极限。因此，我们不得不感叹说:啊，这就是‘量子纠缠态’。

爱因斯坦和其他人提出的假设实验描述了两个粒子的纠缠:想象一个不稳定的大粒子衰变为两个小粒子，两个小粒子以相反的方向飞走。假设粒子有两种可能的自旋，称为“左”和“右”，那么如果粒子A的自旋是“左”，粒子B的自旋必须是“右”，以保持整体守恒，反之亦然。我们说这两个粒子形成了量子纠缠态。

我们将用孙悟空的比喻来重复爱因斯坦的意思:两个孙悟空从一块大石头上跳了下来。每个孙悟空都拿着一根金箍棒。金箍棒有沿轴旋转的功能:左手或右手。两个孙悟空的金箍棒的旋转方向是相互联系的:如果孙甲的金箍棒是“左”旋转，孙乙的金箍棒一定是“右”旋转，反之亦然。我们说这两个孙悟空纠缠在一起。

巨石裂开了，两个纠缠在一起的孙悟空(甲和乙)不想待在同一个房间里，而是拼命朝相反的方向跑去。他们的距离越来越远。根据守恒定律，它们应该总是“左”和“右”。然后，如来和观音菩萨分别在天堂的两端抓住了甲和乙。根据量子理论，只要我们不探测，每个猴王的金箍棒的旋转方向是不确定的，并且它处于左/右可能叠加的混合状态(例如，各50%)。然而，当两个孙悟空被抓的时候，甲和乙的金箍棒的叠加瞬间瓦解了。例如，孙悟空立即随机决定让他的金箍棒选择“左”旋转。然而，由于保护，孙悟空B肯定会决定他的金箍棒是一个“正确的”旋转。问题是，当被抓住的时候，孙悟空甲和孙悟空乙已经相距很远了，比如说几万光年远。他们如何能及时地相互交流，让乙知道甲当时的随机决定？除非两个孙悟空之间有心灵感应信号来回传递！然而，现有的物理知识不允许这种超距离效应。因此，这构成了一个悖论。因此，电子顺磁共振的作者成功地得出结论，玻尔和其他人对量子概率的解释是站不住脚的。

这一次，那一次！此时的玻尔，已经知己知彼，老谋深算了。经过一段时间的仔细考虑，他立即投入战斗。很快就清楚了，爱因斯坦的思想完全是经典的，并且总是相信存在一个远离观察的真实世界。这个世界的形象与以玻尔为代表的哥本哈根学派的观点完全不一致，“观察意味着影响结果”。玻尔认为，只有与观察方法联系起来，微观真实世界才有意义。在观察之前，没有两个客观独立的孙悟空现实。波函数只描述了一个相互关联的整体，没有两个分开很远的物体。因为它只是一个相互关联的整体，所以没有必要在它们之间传递任何信号！因此，EPR悖论只显示了两种哲学观点的区别:爱因斯坦的“经典局部实在观”和玻尔的“量子非局部实在观”。

当然，哲学差异根深蒂固，难以改变。爱因斯坦绝对不能接受玻尔的古怪说法。即使在接下来的20到30年里，玻尔的理论占据了上风，量子理论达到了顶峰，其各个分支高速发展，给人类社会带来了巨大的技术革命。爱因斯坦仍然固执地坚持他的经典信念，站在反对量子理论的一边。

刚才，与玻尔和爱因斯坦共事的约翰·惠勒被称为“哥本哈根学派的最后一位大师”。直到2008年去世，惠勒在他90多岁的时候继续思考量子力学中的哲学问题。我记得惠勒引用玻尔的话说，“任何基本的量子现象只有在被记录下来之后才是一种现象。”这意味着，例如，两个纠缠在一起的孙悟空在被抓住之前在哪里？有多远？它是什么样的？有金条吗？金箍棒是左手的还是右手的？哥本哈根认为，这些都是毫无意义的问题，不应该问。在被如来和观音抓住之前，没有所谓的“两个孙悟空”。它们不是真实的东西！

惠勒对量子理论的贡献是非凡的。20世纪80年代初，我有幸与惠勒博士合作，为他当时访华的演讲做准备和翻译。这篇演讲是基于他的论文“没有法律的法律”。后来，HKUST的李放编辑了这篇演讲，并于1982年发表。它被命名为“物理和简单——没有定律的定律”。在他的演讲中，惠勒提到了他在1979年纪念爱因斯坦100岁生日的普林斯顿研讨会上提出的所谓“延迟选择实验”。这个“延迟选择实验”是我们讨论的“电子双缝干涉”实验的一个令人惊讶的新版本。在新概念中，惠勒戏剧性地改变了一点实验，这样实验者可以在电子通过双缝后做出“延迟决定”，从而改变电子通过双缝的历史！哥本哈根量子理论学派如何解释这种非常奇怪的说法，它似乎从未来触及过去？这个实验彻底挑战了经典物理学的因果关系。

惠勒用一张龙形图来说明这一点。这个龙图也可以从费曼的路径积分观点来理解:龙的头部和尾部在测量过程中对应于两个点，并且在这两个点上的测量值被确定。根据量子力学的路径积分解释，两点之间的相关性可以通过它们之间所有路径贡献的总和来计算。因为所有的路径都要考虑，龙的身体会被混淆。

惠勒在1979年提出了“延迟选择实验”。早在1964年，另一位杰出的英国物理学家约翰？斯图尔特。约翰·斯图尔特·贝尔已经把他的“贝尔不平等”搬上了舞台。