量子力学中纠缠现象的意义与局限性

1935年，爱因斯坦和同事鲍里斯·波多尔斯基、纳森·罗森共同提出了一个思想实验，试图论证量子力学并非完备的物理学理论。三人提出了“EPR悖论”，EPR 是这三位物理学家姓氏的首字母缩写，这项思想实验旨在解决被称为量子纠缠的量子特性。也就是说，在量子纠缠系统中，对一个粒子进行一次测量的结果将同时对另一个粒子产生影响，无论两个粒子之间相距多远。

正如我们所看到的，量子力学的主要原则之一就是不确定性，我们无法对一个系统内的所有特征同时进行测量，甚至从理论上来说都不可以。例如，我们无法同时得知，位置和动量，必须先选择一个来测量，而不是同时测量两者。量子力学的另一个特有的性质被称为纠缠。例如，两个相互作用的光子可以用一个波函数来表示。（我们不需要纠结如何完成这个过程）。一旦光子分离，它们依旧共享这个波函数，这意味着，测量一个光子的行为可以决定另一个光子的状态。例如，如果两个量子处于零自旋状态，测量到其中一个粒子自旋向上，那么可立刻得知，另一个粒子自旋向下。学术上，这种状态被称为“量子非定域性”。爱因斯坦称其为“鬼魅般超距作用”。

量子纠缠假想图

对于量子力学能够精确地预测各类实验的结果，爱因斯坦表示接受，他知道，这些结果并不是“错误”。当时，他在证明和争论的是，量子力学还不完备，EPR悖论是试图证明这一判断的又一个想法，在题为《量子力学对物理实在的描述可能是完备对吗？》（Can the Quantum Mechanical Description of Physical Reality Be regarded as Complete?）的论文中，爱因斯坦认为，量子系统的某些特点尚未被发现，他称其为“隐变量”，一旦人类发现这些变量，就可以利用它们继续观测，而不再需要依赖“鬼魅般的作用”。自然，玻尔不同意爱因斯坦的观点，继续满怀激情地维护量子力学的哥本哈根解释。

爱因斯坦和他的合作者们开始假设某种前提，即如果存在一个方法，可以让我们确定一个粒子的位置，并且直接观察这个粒子并不会对其他粒子产生影响，那么，我们就可以说，粒子存在于现实中，不受我们的观测影响。

自旋

20世纪20年代，奥托·斯特恩和沃特·格拉赫在汉堡大学开展了一系列实验。我们得知，所有移动的电荷都能产生磁场。因此，他们想要根据围绕原子核轨道进行运动的电子测量出磁场。物理学家惊讶地发现，电子自旋的速度极快，产生了许多微小磁场，这些磁场与产生它们的轨道运动不存在关联。“自旋”很快被用于描述次原子粒子的明显旋转运动。但它并不意味着电子实际上是体积小、坚硬的、在原子空间中旋转的物质。

如果两个粒子发生了量子纠缠，我们可以测量其中一个粒子，于是，就可以获得关于第二个粒子的信息，同时不对第二个粒子产生影响。通过测量第一个粒子的动量，我们可以精确获得第二个粒子的动量，对于其他特性，例如位置，我们也可以这么做。

因此，我们知道了未直接观测的第二个粒子的特性。它具有真实的位置和动量。由于量子力学告诉我们，我们是无法得知这些特性的，因此，可以得出结论，量子力学对于现实的描述的确是不完备的。爱因斯坦和同事们认为，另一种方法是假设测量第一个粒子的流程改变了第二个粒子，同时，使第二个粒子配合第一个粒子的状态，即便两者相距数个光年。他们确信：“没有合理的现实定义能够适用于这个结论。”(www.xing528.com)

在写给沃纳·海森堡的信中，沃尔夫冈·泡利简明地表达了自己的观点：

沃尔夫冈·泡利肖像

“爱因斯坦再一次公开表达了自己对于量子力学的态度（与鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森。顺便说一句，他俩并不是好的合作伙伴）。众所周知，每一次发生这样的事，都将会是一场灾难。”

尼尔斯·玻尔阅读了三人的论文后，他认识到，需要快速找到反驳爱因斯坦的方法。玻尔在哥本哈根的同事称，三人的理论对于他们就像“晴天霹雳……其他一切都被抛弃。我们必须立刻清除这种误解”。这并不容易。玻尔花了六周时间，终于找到了反驳的理由，这个理由比四页的EPR论文要长得多。

玻尔承认，在爱因斯坦的论文中“毫无疑问，对系统的机械扰动需要核实”。一直到这时，玻尔都确定，由粒子测量所引发的扰动导致了量子的不确定性。现在，他从自己的立场上退缩了。在索尔维会议上，针对爱因斯坦的种种辩论都是凭借不确定性原理推导出来的。然而，到了现在，他使用了互补概念。量子实验最重要的方面在于实验条件。如果你选择了某种条件，例如，在一个涉及波特性的实验中，波特性就是你将观察到的。如果你选择了其他条件，那么，你就会观察到互补的现象。玻尔认为，这些元素都未在三人的思想实验中体现出来，因此，它不能反驳量子力学的哥本哈根解释。

如果两个例子纠缠，玻尔辩驳道，那么，它们实际上构成了有效的单一系统，该系统带有单一的量子功能。此外，他提到，三人的论文并没有绝对推翻不确定性原则。要同时知道粒子的精确位置和动量依旧是不可能的。如果你知道A的位置，你就会知道B的动量。但是，你无法同时知道A的精确位置和动量，你也无法知道B的精确位置和动量。这和不确定性原则没有冲突。

爱因斯坦继续坚持认为，他看得更透彻。他的相对论理论并不允许存在“鬼魅般超距作用”。他禁止将其用于牛顿的万有引力理论，也不打算将其用于量子力学。他坚持，量子力学违背了两个基础性原则。分离性原理认为，两个在空间中分离的系统独立存在，定域性原理认为，对一个系统施加的影响不会影响到另一个系统。