“此时此地发生的某种情况能够同一时刻在万里之外引起某种反应,这可能吗?”在《纠缠态》一书的开头,阿米尔艾克塞尔博士便提出这神秘莫测的“物理世界第一谜”。不确定性、模糊状态、概率迷雾,都是神奇的量子领域不可或缺的组成部分而在这种种离奇不经中,最神秘莫测的现象还是“量子纠缠:两个相互作用后再度分离的成对粒子,哪怕相距数十亿千米甚至处于茫茫宇宙的两端,一旦其中一方发生任何状况,都会立即让在宇宙中任何角落里的另一方产生相应的变化。
量子纠缠其实就是“态叠加原理”在两个或以上的子系统构成的复合系统中的体现。粒子可以同时处于两种或两种以上的状态一个单独释放的光子在经典的杨氏双缝干涉实验中与它自己形成干涉,在环绕原子核的轨道上运行的电子在同一时刻也可能处于好几个不同的位置。两个或以上的粒子各自状态的叠加就导致了纠缠态,使我们无法撇开任何一方来孤立地描述其中某个粒子的状态。这些理论与现象挑战着我们的“科学”理念与所谓的“实在”观念,因为我们已经无法单纯依靠自然形成的直觉经验去感知一个原子、一条光线或者一串粒子内部所出现的状况,而在彼此“纠缠”乃至虽然远隔万里却能行动一致的粒子世界中,究竟什么叫作“实在”?
1972年,还在加州大学伯克利分校主修数学和物理的本科生阿米尔·艾克塞尔聆听了量子论的奠基人之一沃纳·海森堡的演讲。在海森堡看来,“我们必须按弃从经验以及感官得来的有关世界的先入之见,而让数学来做我们的向导”。如今,研究量子系统的物理学家已经可以在数学理论构建的美丽的希尔伯特空间中很好地描述理论规律并预言实验结果,但囿于日常经验的我们又能在多大程度上理解这个“内含范数的完备的内积空间?即使薛定谔的波动力学、海森堡的矩阵力学与费曼的历史求和、路径积分法在数学上是完全等价的,但这些量子力学的数学解释形式背后的物理意义仍未清晰,某个变量究竟代表的是概率还是扩散的波?又或者如果找到某些隐变量的值,上帝掷出的代表不确定性与随机性的骰子就会消失?
科学家们对此依旧众说纷纭,普通民众们更是无法置喙。可以说,置子论颠覆了我们单凭日常生活经验能直接体验与理解的有关微观世界的观念。这些出于“直觉”的唯实论观念是如此的根深蒂固,以至于科学巨匠爱因斯坦也无法接受这种无法摆脱随机性与偶然性的理论。在1927年、1930年与1933年的三次索尔维会议上,阿米尔艾克塞尔与提出量子力学的正统诠释—哥本哈根诠释的另一巨人尼尔斯·玻尔都展开了精彩绝伦的论战。他更提出名的“爱因斯坦盒子”问题,意图说明一个光子的能量和逃逸时间都可以被准确地测知,从而一劳永逸地驳倒作为量子力学基石的不确定性原理。曾获诺贝尔奖的“史上最牛足球守门员”玻尔在冥思苦想一夜后,却巧妙地借用爱因斯坦的独门绝技证明了光子的逃逸时间会因为时钟发生了位移而无法确定,将老谋深算的爱因斯坦来势汹汹的挑战硬生生地挡了回去,使得爱因斯坦不得不承认不确定性原理是自洽的。
爱因斯坦岂是等闲之辈,身为量子论开山鼻祖的他,“对量子论自然了如指掌,比任何人都清楚个中的虚实深浅,所以招招精准,直逼要害”。1935年,他与同事波多斯基以及罗森一起提出物理史上经典的“EPR佯谬”,认为量子纠缠这种“鬼魅般的超距作用”不可能同时满足确定性、实在性、定域性这自然科学理论必须遵循的三大原则,因而是绝不可能存在于自然界中的荒诞,能够容许这样“不真实”现象存在的量子体系也必然是不完备的。此言一出,量子论学术战场上再度狼烟四起,厮杀不断。玻从廓清概念、思维实验等视角出发,以一篇同名论文对EP进行了反击。大多数物理学家都认为玻尔最终摆平了争议,击败了ER,但这一精彩的科学悬疑故事其实才刚刚开场。
三十年后,倾向爱因斯坦观点的约翰·贝尔超越了爱因斯坦的直觉,提出一个旨在厘清对错的不等式形式的深奥数学定理,认为问题不在于量子力学是否完备,而在于量子力学跟爱因斯坦所坚信的实在论和定域论无法并存。克劳瑟恩西摩尼-霍尔特(CHSH)论文在此基础上实现了重大的理论突破,以戴维·波姆简化改良了的EPR实验为起点,克劳瑟、弗里德曼、阿斯派克特等人更是以一系列可操作的物理实验与确切的数据,确凿无疑地证明了量子纠缠的存在—贝尔支持的一方是错误的,量子论胜利了,爱因斯坦的实在观死了。
现代科学中这场历时百年的漫漫求索并未结束。科学家们已经在数十千米距离上证实了非定域的纠缠态,并开始考虑将量子纠缠用于规避和侦测窃听技术的量子密码术中,甚至尝试在实验室里对一个量子体系的状态进行长距离的“隐形传输,虽然像科幻作品里设想的“远程传输”“大变活人”那样的情况还不现实。有的学者认为,如果无法利用纠缠态来实现超光速信息传送,量子力学和狭义相对论还是可以“和平共处”的。可《自然》杂志上发表的最新论文显示,一对相互纠缠的光子之间任何未知信号的传输速度有可能达到光速的一万倍!爱因斯坦一直坚持认为没有任何物体的运动速度能够超过光速,难道他又错了吗?
事实上,这种非是即非、非此即彼的简单化判断是粗暴武断的。西摩尼与克劳瑟曾指出,从哲学意义上看,贝尔定理意味着“我们要么必须完全放弃现在大多数科学家所持定的实在观,要么必须彻底更新我们的时空观”。而如果像实验证明的那样,量子力学中的跃
迁或波函数坍缩不是一种时空过程,那么不受定域性约束又不必遵守相对论的非时空过程是什么?为什么粒子会发生纠缠?到底什么才称得上是“存在”?量子理论正统解释对这些深层次的老大难问题至今仍未提出满意的解释,难怪玻尔会承认“那些不惊异于量子理论的人没有理解它”,而费曼也认为“那声称自己懂量子力学的人都是在撒谎”。迁或波函数坍缩不是一种时空过程,那么不受定域性约束又不必遵守相对论的非时空过程是什么?为什么粒子会发生纠缠?到底什么才称得上是“存在”?量子理论正统解释对这些深层次的老大难问题至今仍未提出满意的解释,难怪玻尔会承认“那些不惊异于量子理论的人没有理解它”,而费曼也认为“那些声称自己懂量子力学的人都是在撒谎”。
幸运的是,我们从本书的“量子纠缠主线中,可以读到那些“探索着自然界最奇异现象的科学家的生活”也因而彼此“纠缠”。生有涯而知无涯,正是通过科学的建构及其背后的哲学依据、数学基石与科学实验,谦卑的我们才有可能在一大自然奥秘的科学进步道路上渐行渐远。
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