|
20 世紀愛因斯坦提出了相對論，從根本上改變了人們對時間、空間和引力的認知，為現代物理學奠定了堅實基礎 。
然而，面對量子力學這一同樣具有劃時代意義的理論，愛因斯坦卻始終持有深深的質疑。 量子力學主要描述微觀世界的現象，其中不確定性原理是其重要的基石之一。 該原理表明，我們無法同時精確地知道一個微觀粒子的位置和動量，只能用概率來描述它們的可能范圍。這與愛因斯坦所堅信的經典物理學中確定性和因果性的觀念大相徑庭。愛因斯坦難以接受微觀世界的這種不確定性，他認為量子力學是不完備的，必定存在一些尚未被發現的隱變量，這些隱變量決定了微觀粒子的真實狀態。 在他看來，如果能夠掌握這些隱變量，就可以用一個完全確定性的理論來準確預測微觀粒子的行為，而不是依賴于概率。他曾形象地比喻：“上帝不擲骰子。” 在他的世界觀里，宇宙的運行應該遵循著明確而穩定的規則，而不是充滿了隨機性。
1935 年，愛因斯坦與助手鮑里斯?波多爾斯基、納森?羅森共同發表了一篇具有深遠影響的論文 ——《量子力學對物理實在的描述可以被認為是完備的嗎？》，這篇論文中提出的思想實驗后來被稱為 “EPR 佯謬” 。 在這個思想實驗中，假設有兩個粒子 A 和 B，它們先短暫相互作用，然后朝相反方向遠離，且總動量守恒，相對距離已知。當兩個粒子相距足夠遠時，根據狹義相對論，對粒子 A 的測量不會立即影響到粒子 B。如果測量粒子 A 的動量，依據動量守恒就能確定粒子 B 的動量；測量粒子 A 的位置，依據兩者相對距離就能確定粒子 B 的位置，這表明粒子 B 的位置和動量在測量前就是客觀存在的物理實在元素 。
然而，按照量子力學的哥本哈根詮釋，粒子在被測量之前，其位置和動量通常沒有確定的值，只有概率分布。這一矛盾讓愛因斯坦堅信量子力學存在缺陷，無法完全描述物理世界。 在這個思想實驗中，兩個粒子無論相距多遠，它們的狀態都緊密相連，這種現象就是后來被稱為 “量子糾纏” 的奇特量子力學現象 。
愛因斯坦將其稱為 “鬼魅般的超距作用”，認為這種超距作用違背了相對論中光速不變原則和局域性原則，因為信息似乎可以瞬間在兩個粒子之間傳遞，而不需要任何物理媒介，這與他所理解的宇宙規律背道而馳 。由此，愛因斯坦對量子糾纏的質疑，引發了物理學界對量子力學完備性的深入思考和激烈爭論，也促使眾多科學家投身于相關研究，以解開這一神秘現象背后的奧秘。 量子糾纏，作為量子力學中最神秘的現象之一，描述了兩個或多個粒子之間存在的一種特殊的、超越經典物理認知的關聯狀態 。
當粒子處于糾纏態時，無論它們在空間上相隔多遠，哪怕是從宇宙的一端到另一端，一個粒子的狀態發生改變，另一個粒子的狀態也會瞬間發生相應的變化 ，仿佛它們之間存在著一種無形且超距的 “心靈感應” 。這種超距作用完全違背了我們日常生活中的直覺和經典物理學中關于空間和時間的觀念，使得量子糾纏成為了物理學領域中最引人入勝且充滿爭議的研究課題之一。 以電子的自旋為例，電子的自旋是量子力學中的一個重要概念，它不同于宏觀世界中物體的旋轉，電子的自旋狀態在未被測量之前處于一種奇特的疊加態，既可以是上旋，也可以是下旋 ，或者更準確地說，它同時處于上旋和下旋的疊加狀態，只有在進行測量的瞬間，其自旋狀態才會隨機地 “坍縮” 為上旋或下旋 。當兩個電子形成糾纏對時，它們的自旋狀態就緊密地聯系在一起。
假設這對糾纏電子中的一個被測量為上旋，那么無論另一個電子距離有多遠，哪怕遠在銀河系的另一端，它都會瞬間被確定為下旋 ；反之，如果一個被測量為下旋，另一個則必定為上旋 。而且，這種關聯是瞬時的，不受距離和時間的限制 ，這與經典物理學中信息傳遞需要時間和媒介的觀念形成了鮮明的對比。 再比如，當一個零自旋的中性 π 介子衰變成一個電子與一個正電子時，這兩個粒子就會處于糾纏態 。它們的動量相同，自旋方向相反 。如果我們測量電子的旋向，就能立刻知道正電子的旋向；并且，一旦正電子的速率和旋向發生改變，電子的速率和旋向也會同時改變 ，無論它們之間相隔多遠，這種糾纏現象始終存在 。這種超越距離限制的相互作用，就像兩個粒子之間存在著一種神秘的紐帶，使得它們的行為相互關聯，仿佛它們能夠 “感知” 到彼此的狀態變化 。 愛因斯坦對量子糾纏的質疑，引發了他與哥本哈根學派代表人物玻爾之間激烈且持久的爭論，這場爭論被稱為物理學史上的 “世紀之爭”，成為了量子力學發展歷程中濃墨重彩的一筆 。
玻爾作為哥本哈根學派的領軍人物，堅決捍衛量子力學的正統詮釋 。他認為量子世界遵循著與經典世界截然不同的規律，不確定性和概率性是微觀世界的本質屬性 ，而量子糾纏正是這種本質的體現 。在他看來，粒子在被測量之前，確實處于一種不確定的疊加態，只有當觀測行為發生時，粒子的狀態才會瞬間 “坍縮” 為一個確定的值 。 這種觀點強調了觀測者的測量行為對微觀世界的影響，認為觀測不僅僅是對客觀世界的被動反映，更是一種主動的參與和干預，會改變微觀粒子原本的狀態 。 面對愛因斯坦提出的 EPR 佯謬，玻爾進行了深入的思考和回應 。他指出，EPR 思想實驗中對粒子 A 的測量，看似不會直接影響粒子 B，但實際上這種測量行為會對整個量子系統產生不可忽視的作用 。在量子力學中，兩個糾纏粒子構成了一個不可分割的整體，它們之間的關聯是量子力學本質的一部分 ，不能簡單地用經典物理學中的局域性和分離性概念來理解 。
當對粒子 A 進行測量時，整個量子系統的狀態會發生改變，這種改變會同時影響到粒子 B ，使得粒子 B 的狀態也隨之確定 。因此，玻爾認為量子糾纏并不違背物理規律，而是量子力學完備性的有力證明 。 愛因斯坦與玻爾的爭論持續了多年，雙方各執一詞，互不相讓 ，吸引了眾多物理學家的關注和參與，推動了量子力學的不斷發展和完善 。而這場爭論的最終定論，直到多年后克勞澤與阿斯佩的實驗出現，才逐漸浮出水面。 1967 年，在美國哥倫比亞大學，一位年輕的學子約翰?克勞瑟（John Clauser）正站在學術道路的關鍵節點上，尋找著天文物理學博士論文的課題 。一次偶然的機會，他讀到了一篇由愛爾蘭物理學家約翰?貝爾（John Bell）撰寫的鮮為人知的論文 。這篇論文為克勞瑟照亮了一條全新的研究道路。
貝爾在論文中提出了一種巧妙的數學方法 —— 貝爾不等式，通過這個不等式，可以對量子糾纏現象進行實驗驗證 。他指出，如果量子力學是完備的，那么在某些特定的實驗條件下，量子糾纏所表現出的相關性將違反貝爾不等式 ；反之，如果不違反，那就意味著存在愛因斯坦所設想的隱變量，量子力學則是不完備的 。 克勞瑟被這個理論深深吸引，他意識到這是一個能夠解決愛因斯坦與玻爾之間爭論的絕佳契機 。于是，他決定承擔起這個驗證的重任，設計了一個極具創新性的實驗 。他的實驗裝置巧妙地利用了激光技術和光學儀器，能夠大量制造并精確測量糾纏態的粒子 。 實驗過程中，克勞瑟讓糾纏態的粒子對在不同方向上飛行，然后對它們的自旋狀態進行測量和比較 。隨著實驗數據的不斷積累，結果逐漸揭曉，而這個結果卻讓克勞瑟感到無比驚訝 。實驗數據明確地顯示，量子糾纏粒子之間的相關性違反了貝爾不等式 ，這意味著量子力學的預測是正確的，粒子之間確實存在著超越空間的 “鬼魅般的超距作用” 。
然而，科學的嚴謹性要求對實驗結果進行反復驗證 。為了排除實驗中可能存在的漏洞和誤差，法國物理學家阿蘭?阿斯佩（Alain Aspect）在克勞瑟實驗的基礎上，進行了更加精確和全面的實驗 。阿斯佩利用當時最先進的技術，改進了實驗裝置，成功地解決了克勞瑟實驗中存在的一些潛在問題 。 例如，他通過巧妙的設計，實現了對糾纏粒子的隨機選擇測量，進一步增強了實驗的可信度 。他的實驗結果與克勞瑟的實驗高度一致，再次證實了量子糾纏的真實性和量子力學的正確性 。 阿斯佩的實驗不僅為量子糾纏現象提供了更為確鑿的證據，也徹底否定了愛因斯坦所支持的隱變量理論 。這個結果在物理學界引起了巨大的轟動，它標志著量子力學在這場長達數十年的爭論中取得了決定性的勝利 。 曾經被愛因斯坦認為不可能存在的 “鬼魅般的超距作用”，如今已經被實驗證實是真實存在的物理現象 。這一發現不僅顛覆了人們對微觀世界的傳統認知，也為量子力學的進一步發展和應用奠定了堅實的基礎 。 隨著對量子糾纏現象研究的不斷深入，科學家們逐漸發現了其在眾多領域中蘊含的巨大應用潛力，這些潛在應用有望徹底改變我們的生活和科技發展的軌跡。 在量子通信領域，量子糾纏扮演著至關重要的角色，為實現絕對安全的通信提供了可能。 傳統通信方式中，信息的安全性依賴于復雜的加密算法，但這些算法在理論上都存在被破解的風險 。而基于量子糾纏的量子密鑰分發技術，卻能從根本上解決這一問題。其原理在于，量子糾纏態下的粒子具有不可克隆性和測量塌縮的特性 。當發送方和接收方利用糾纏粒子生成密鑰時，任何第三方試圖竊聽的行為都會不可避免地干擾量子糾纏態，從而被通信雙方立即察覺 。這就好比在一條秘密通道中設置了無數的 “警報器”，一旦有不速之客闖入，警報就會立刻響起 。
2016 年，中國成功發射了世界上首顆量子科學實驗衛星 “墨子號” ，它在太空中實現了千公里級的量子糾纏分發和量子密鑰分發 ，驗證了量子通信在長距離傳輸中的可行性和安全性 ，為未來構建全球化的量子通信網絡奠定了堅實基礎 。 量子計算領域也是量子糾纏大顯身手的舞臺 。與傳統計算機使用二進制比特（0 和 1）進行計算不同，量子計算機利用量子比特（qubit）來處理信息 。 量子比特不僅可以處于 0 和 1 的經典狀態，還能同時處于這兩種狀態的疊加態 ，這種特性使得量子計算機具備了強大的并行計算能力 。而量子糾纏則進一步增強了量子比特之間的相互關聯和協同作用，使得量子計算機能夠在處理某些復雜問題時展現出遠超傳統計算機的速度和效率 。 量子糾纏還為實現 “瞬間移動” 這一科幻概念帶來了一絲曙光 。
這里所說的瞬間移動，并非像科幻電影中那樣將物體或人直接從一個地方瞬間轉移到另一個地方，而是利用量子糾纏實現量子態的隱形傳輸 。簡單來說，就是將一個粒子的量子態信息傳遞到另一個遙遠的粒子上，使得這個粒子能夠呈現出與原粒子相同的量子態 ，就好像原粒子瞬間 “移動” 到了新的位置 。
目前，科學家們已經在實驗室中成功實現了單個光子、原子等微觀粒子的量子隱形傳態 。比如，奧地利的研究團隊利用量子糾纏，成功將一個光子的量子態傳輸到了 144 公里外的另一個光子上 。雖然距離實現宏觀物體甚至人體的瞬間移動還極為遙遠，涉及到量子態的精確測量、大量粒子的糾纏控制以及復雜的信息處理等諸多難題 ，但這些初步的實驗成果無疑為未來的研究指明了方向 。 |
|
|
