“爱因斯坦幽灵”能用来实现超光速通信吗？

▲爱因斯坦（图片来源于网络）

大家知道，爱因斯坦对量子力学的发展做出极其重要的贡献。然而，爱因斯坦并不喜欢“量子世界的概率性”，他不相信上帝会以掷骰子的方式创造世界，尤其不能认同以玻尔为首的哥本哈根学派对量子力学的诠释。因此，他多次与玻尔就量子力学基本问题发生激烈争论，不过每次他都以失败告终。后来，爱因斯坦便改变争论的策略，即从量子力学原理出发，推演出一个十分荒谬的结果，以期来证明， 量子力学用于描述世界是“不完备的”，这就是爱因斯坦等人1935年提出的著名的“EPR佯谬”。

▲EPR佯谬（图片来源于网络）

设想有一个量子系统由两个自旋为1/2的粒子构成，每个粒子的自旋要么向上（↑），要么向下（↓），但两个粒子的总自旋为零，这意味他们总是处于自旋相反的状态。现在将粒子A和B分别配置于相距遥远的两个地方，例如，A在地球上，B在月球上。按照量子力学的预言，每个粒子的自旋方向是不确定的，在任何方向上测量会有一半概率向上，一半概率向下。但如果地球上的粒子A被测量并发现其自旋向下，那么月球上的粒子B即便不测量也能确定其自旋必定向上，因为AB自旋总是相反的。可见，地球上A未测量时，月球上B只有一半概率向上，而地球上A一旦被测量，并发现自旋向下，那月球上的B立刻以百分之百概率处于自旋向上的状态。月球上B的状态似乎是瞬时被地球上A的测量所控制，这种控制行为以超光速方式发生。这就是从量子力学原理推演出来的必然结果。

爱因斯坦由此断定，“超光速”行为是绝对不可能发生，他称之为“幽灵般的超距作用”。量子力学造就出这个不可能存在的“幽灵”，由此可见“量子力学是不完备的”，不足以正确地描述真实的世界，为正确地描述世界，必须从量子力学理论体系之外引进新的参数（俗称为隐参数），来消除“量子世界的概率性”，这个“幽灵”也自然就消失掉！这就是EPR佯谬的故事。

那么量子力学如何应对EPR佯谬？

如何解释这个神奇的幽灵呢？

首先，在EPR实验中，月球上B虽然测到自旋向上，但仅从这次测量的结果，无法推断出它是以50%还是100%的概率获得此结果的，换句话说，它根本不可能由此知道地球上A是否被测量这个信息，因此这里根本不存在“信息传送”。即使“幽灵”超光速，也不违背狭义相对论“信息传送不能超光速”的原理。

上述EPR实验中，似乎地球上A的测量是“因”，而月球上B的后测量是其“果”，而“幽灵”担负着这个“因果”关联的角色。

但是，如果同时在地球上和月球上分别测量A和B，结果应如何呢？量子力学预言，每次A和B的测量结果自旋总是相反的，而且多次重复这个实验，单独看每个粒子测量的结果系列则是完全随机的，A和B两个随机序列则是完全关联，自旋总是相反的，所以实验结果是完全关联的随机数序列，这时不再存在“因”“果”之别了，“幽灵”并不从某处传到另一处，而是扮演将两个随机序列关联起来的角色！

设想我们有100份EPR粒子对（AB）,其中所有A粒子都在地球上，而所有B粒子都在月球，重复前面的实验，结果是地球上所测的100个A粒子自旋向上或向下是完全随机的序列，而是大约一半向上，一半向下。同样的，月球上B粒子的测量结果也是向上，向下完全随机的序列，向上或向下的数量大约各占一半。但是最令人惊奇的是，地球和月球上分别测到的这两个随即序列是完全关联的：第i对EPR粒子中Ai与Bi自旋总是相反的。每对EPR粒子都毫无例外是这个结果。

因此，物理学界对EPR佯谬的解释就出现两种截然不同的观点：爱因斯坦等人认为：“幽灵”不存在，世界是局域的，量子力学不完备，必须以“隐参数理论”代之；玻尔等人认为：量子世界是非局域的，“幽灵”理应存在，量子力学是完备的，无需引入“隐参数”。世界究竟是“局域”还是“非局域”这是个哲学问题，难以断定孰是孰非！多亏欧洲核子研究中心的理论物理专家贝尔（Bell）的贡献才打破了这个僵局。贝尔本人实际上是爱因斯坦的铁杆粉丝，他认为爱因斯坦更聪明，“隐参数理论”应当是正确的。1964年，他推导出一个有关EPR实验的不等式，即著名的“贝尔不等式”。如果能验证这个不等式被违背，则“隐参数理论”就不成立。

1982年，法国学者阿斯派克特首次在实验上证实，贝尔不等式被违背。其后人们采用各种物理系统和实验手段开展实验研究，最终无漏洞地证实，贝尔不等式被违背，量子力学是完备的，非局域性是量子世界的重要基本性质。因此，关于EPR佯谬这场经历了60多年精彩绝伦的学术争论到了该谢幕的时刻了！爱因斯坦如果在天有灵，看到他质疑量子力学完备性而提出的EPR佯谬，终被证明是“佯”而不“谬”，反而揭示出量子世界的非局域性这个最基本性质，不知会有何感想？

▲阿斯派克特（图片来源于网络）

为便于理解量子世界的非局域性，我们举个不太恰当的例子：在合肥的母亲，当她在深圳的女儿生下头胎婴儿的那一瞬间，她立刻升格为外婆，这就类似于EPR效应。这件事并不需要时间就发生了，尽管母亲并不知道关于她女儿生下婴儿的任何信息。原因在于母女之间的身份关联，女儿成为母亲的瞬间就必然导致自己的母亲变成外婆。

既然“量子世界”确实存在“超光速”的“幽灵”，那么人们自然会问，能否将这个“幽灵”引到我们的经典世界中来，开发出“超光速通信”？

许多科学家进行了不懈努力，最终的结论是，这是绝对不会成功的。量子力学的基本原理业已证明，不可能利用纠缠态来实现超光速通信。

出品：科普中国

制作：中国科学技术大学 郭光灿 中国科普博览

监制：中国科学院计算机网络信息中心

“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。

▼▼▼

近期热点

中国科普博览

ID：kepubolan

长按识别左边二维码关注我们