吕陈君:量子纠缠究竟是什么?

——贝尔不等式和贝尔实验的物理机制探讨
选择字号:   本文共阅读 1257 次 更新时间:2019-01-13 22:48:01

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吕陈君  

  

   “量子纠缠”这个假设,源于1935年爱因斯坦和两位合作者提出的EPR思想实验,他是想以此来反驳玻尔。因为根据玻尔的量子力学诠释,一个大粒子衰变成两个小粒子a和b,它们在分开后仍属于一个关联整体,当我们观测到a的矢量态为正时,那么在此瞬间,b就会立即坍塌成负的矢量态,但在观测前,谈论a、b的矢量态是没有意义的。爱因斯坦反对这种观点,他认为a、b分开后就完全没有关联了,其矢量态都是各自确定的,我们对a的观测完全不会影响到对b的观测,怎么可能在观测a的同时,b的状态会瞬间发生改变呢?爱因斯坦把玻尔的这种诠释称之为“幽灵般的超距离作用”,这就是“量子纠缠”这个假设的由来,它成为飘荡在20世纪物理学上空的一个幽灵。

  

   1964年,爱尔兰物理学家J.S.贝尔对EPP思想实验进行了改进,使之变成一个真正可以操作并检测的实验。因为,我们在两个不同的方向a、b上来观测关联粒子的矢量态时,其实不可能去做单个粒子行为的相关性观测,而只能做大量粒子行为的统计学观测。譬如,我们在方向a上观测到粒子的矢量态为正,同时在相反方向b上观测到粒子的矢量态也为正,这两者之间就存在着一个正相关概率函数P(a,b),贝尔证明了:如果爱因斯坦对,不存在量子纠缠,那么P(a,b)≤2;如果玻尔对,存在量子纠缠,那么P(a,b)≤2就不成立。(实际上,这里是简化版的CHSH贝尔不等式,由四位美国科学家提出,其具体的推导就不讲了。)

  

   但后来的实验结果都非常明显地表明:贝尔不等式不成立。人们就不得不承认:“量子纠缠”这个假设是对的,爱因斯坦错了。也就是说,爱因斯坦认为两个粒子分开后就不再关联的这个“定域性假设”错了,而玻尔认为两个粒子分开后还继续保持着整体性关联的这个“非定域性假设”反倒是对的。这个结果可以说是出乎大家意料的,因为贝尔的本意是想证明玻尔错了。但“非定域性”这个概念很不好理解,所以才出现了那么多稀奇古怪的解释,至今仍未有统一的意见。

  

   非定域性跟“一个光子同时通过两条缝”是一致的,违反了矛盾律,这就导致了理解上的严重困难。人们一旦陷入“量子纠缠”这种诡谲怪异的物理想象中,就会推导出许多匪夷所思的理论结果来,至少人们在经验上都还无法予以理解或证实。如果有人声称科学就是超经验的,甚至神秘的,那我们就无话可说了,但作为真正的科学精神来说,就是要把宇宙奥秘转变成可理解的知识,既要符合逻辑,又要符合经验,这是科学探索的永恒精神源泉。

  

   一旦理论上出现自相矛盾的结果,而且千方百计也无法解决时,我们就需要回过头去,重新去审察建立理论时赖以所需的基本假设是否出了问题,或者是否还有什么更深层次的涵义。我们重新来考察一下贝尔不等式的推导,它其实是基于两条假设:

  

   对称性假设:两个关联粒子a、b分开后,其矢量态分布是对称的,即若观察到a的矢量态为正时,记作|a>=+1,b的矢量态必为负,记作|b>=-1,且叠加态|(a,b)>≡0,反之亦然。

  

   定域性假设:两个关联粒子a、b分开后就不再相关,即对a的测量绝不会影响到对b的测量,反之亦然。

  

   在EPR和贝尔不等式的推导中,上述两个假设都是隐性公理。更直观地讲,对称性假设就是指:当两个关联粒子a、b分开的瞬间,它们都朝着完全相反的方向飞去,其夹角θ=180o。现在实验结果违反了贝尔不等式,人们认为就是定域性假设错了,可为什么不想想:定域性假设没错,而是对称性假设错了呢?也就是说,a、b分开的瞬间是非对称性的,即其夹角θ≠180o。只要θ≠180o,那么P(a,b)的计算也会完全符合量子力学方程,根本用不着引入非定域性这个很难解释的概念。

  

   我们再来详细分析贝尔实验,其基本方法就是:用激光去照射某种金属,让其核外电子发生“原子级联”跃迁,譬如一个电子e受到激发,从能级E1跃迁到能级E3,当能量回落时,e就连续下降两个能级而辐射出两个关联光子v1、v2,然后,我们在相隔较远的不同方向上接收这两个光子,并对它们的矢量状态(譬如自旋)进行测量。

  

   大家都想当然地认为:v1、v2从原子内部辐射出来,在它们分开的那一瞬间,就会沿着完全相反的两个方向飞去,这显然就是对称性假设。但是,人们在此完全忽视了一个事实:受激发的电子e和辐射出来的两个光子v1、v2,这三者才构成一个完整的关联体系,也就是说,叠加态

  

   |(e,v1,v2)>≡0

  

   这样,原来设想的对称性假设就不成立了,即叠加态

  

   |(v1,v2)>≠0

  

   但由于人们实际上测量不到原子内部电子e的矢量状态,只能测量到飞出原子外光子v1、v2的矢量状态,所以,在计算中就完全忽视了|e>,误认为|(v1,v2)>≡0。这个简单的失误,就导致了量子力学解释上的极大困惑。如果把这个无法测量到的矢量|e>考虑进来,那么可测量的两个矢量|v1>、|v2>之间必然就会出现一个夹角θ≠180o,P(v1,v2)的计算就跟量子力学完全一致了。

  

   这样来看,“量子纠缠”其实根本就不存在,它完全是人们忽略了一个观测量而导致的。我们这种解释既逻辑简洁,又符合物理经验,这样不是更好、更真实吗?所以,那些基于“量子纠缠”假设上作出的各种大胆、美妙之推论,像“多宇宙”、“退相干”、“量子塌陷”、“量子意识”、“量子计算”等等,就等于都是建在流沙上的宫殿,海市蜃楼罢了,都是不可靠、不真实的。这一切,都是源于爱因斯坦的非定域性解释以及薛定谔对此作出的夸张描述:两个关联粒子分开后还能保持着某种“神秘的整体关联性”或“无法解释的超距离作用”。这种诡异的物理想象就将20世纪的量子物理学引入了概念歧途。按照我们的解释,“量子纠缠”真正的物理机制是:它只是由于我们无法同时测量到所有关联粒子而导致的一种非对称性的系综测量效应。所以,定域性和非定域性的物理解释其实都是不准确的,正确的说法应该是对称性和非对称性的系综测量效应。完全不需要“非定域性”、“远距离纠缠”这些让人无法理解的假设。

  

   正是因为原子外光子|(v1,v2)>和原子内电子|(e)>不可能同时被观测到,才导致了观测|(v1,v2)>的不确定性,这就是形成几率波的真实物理机制。因为,每一次观测|(v1,v2)>,都要受到一个相关的、不确定性的|(e)>影响,所以,|(v1,v2)>的描述方程也就体现出了概率属性。如果|(v1,v2)>和|(e)>能被同时观测到,那么量子力学的测不准关系也就不复存在了。

  

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