——再說微觀量子世界的基本概念
文/陳思進
上一篇文章《說說微觀量子世界的基本概念》（《科普時報》2018年05月11日第03版），試圖用最淺顯的語言介紹量子疊加態，接下來這篇文章想談一下量子力學中的另一現象，可謂是科學中最奇特的現象——The God Effect（上帝效應）——量子糾纏。
話說1935年，愛因斯坦和博士後羅森、研究員波多爾斯基發表了簡稱“EPR”的論文（以三個人名字的第一個字母命名，就是後來著名的“EPR佯謬”的來源），試圖藉著一個思想實驗來論述量子力學的不完備性。
薛定諤在看了“EPR”論文之後，用德文寫了一封信給愛因斯坦，在那封信裡，他最先使用了術語Verschränkung，隨即，他自己將之翻譯為Quantum entanglement（量子糾纏）。不久，量子糾纏這個詞兒便傳了開來。
量子糾纏最初是從量子力學的預測方程式而來，是指兩顆粒子接近時可以發生一種彼此糾纏的關係。最為神奇的是即使它們被分開，而且無論分開得多麼遙遠，它們依然好似糾纏在一起，密不可分。
要想了解這種現象究竟有多怪異，讓我們先從電子的一個特色——自旋——開始談起。
看到“自旋”這兩個字，好些讀者可能想起花樣溜冰中運動員旋轉的動作，那當然是不一樣的，要是一樣的話，就不奇特了。
正如上文提到的量子不確定性，電子的自旋和其它的量子特性一樣，在被測量的那一刻之前，它們的狀態一般都是模糊而不確定的。但只要你一旦觀察（或被觀察了）了它就會發現，它要麼以順時針方向轉動，要麼以逆時針方向轉動，就像賭場裡那種旋轉輪盤的輪盤賭一樣，最後會隨機指向一個區間。
再用上文中那個量子世界中的酒吧為例來說明。
假設那個量子酒吧裡有一模一樣的兩個旋轉輪盤，輪盤分成同等數量、面積同等大小的紅色和藍色區間。當指針轉動之後，最後會隨機指向紅色或藍色。現在，我們假設量子酒吧裡這兩個輪盤的表現就像兩個糾纏的電子一樣。那麼，每次只要一個輪盤的指針停在紅色區域上，另一個輪盤的指針就一定會停在藍色區域中，反之亦然。
既然這兩個輪盤並未相連，那這種現象若在宏觀世界中，就的確不可思議了，只有變魔術的才有可能做到這一點。然而在量子世界中，試驗證明就是如此。
而且，更為誇張的是，即使這兩具輪盤相距遙遠，哪怕其中一具輪盤搬到月亮上，其中沒有任何東西將它們相連，只要一個輪盤指著紅色，那麼另一個輪盤保證指著藍色。
換句話說，如果你測量（或被觀測）兩個糾纏著的粒子的其中一個，你影響的不只是這一個粒子，這個測量的行為也會影響它的糾纏夥伴，不管兩者距離有多遠，結果都一樣。
對於這種無論在輪盤還是粒子之間的詭異的遠距離連帶關係，別說對於我們普通讀者顯得太過荒唐可笑，就連最偉大的物理學家、相對論的創始人、量子力學的創始人之一愛因斯坦，最初聽到這種現象的時候，第一反應是：“超距幽靈作用”。潛臺詞是：不可能的！
愛因斯坦認為，這只是數學上看起來的詭異，應該還有更簡單的解釋可以說明它們是如何連接的，而根本不是什麼神秘的“運距離聯繫關係”。他說，糾纏的粒子其實就好像是一付手套。想象有人把這兩隻手套分開，各自放進兩個箱子裡，然後有人把其中一個箱子帶來給我，把另一個箱子寄到南極。
在我還沒有打開箱之前，我就知道里面不是左手就是右手的手套。等我一打開箱子，如果發現裡面是左手的手套，那同時，我就會知道南極的那隻箱子裡一定是右手的手套，儘管沒有人打開那隻箱子朝裡面瞧。這件事完全沒有什麼神秘性可言，顯然在我看清這口箱子的內容物時，並不會對任何一隻手套有所影響。這隻箱子裝的一直都是左手手套，南極的箱子也一直裝著右手手套。從兩隻手套分開打包的那一刻，就已經決定了結果。
愛因斯坦認為這對手套的例子，也適用於糾纏的粒子，即不管電子的組態如何，一定是在它們分開的那一刻，就已經決定好了。也就是說，根本就不存在什麼量子糾纏。
愛因斯坦於1955年去世，他去世之前仍然堅信整個量子力學充其量只能對現實世界提供不完備的描述，就別說量子糾纏了。
但是，即使愛因斯坦反對，哥本哈根學派依然堅稱，對於糾纏著的量子而言，只要你測量（或被觀測）其中一個粒子時，就會影響另一個粒子的狀態，就會改變了它的狀態。儘管二者之間沒有可以彼此連接的東西、沒有任何能夠聯絡的方式，一邊的選擇，就是可以對那邊造成影響。這並雖然聽上相當詭異，但卻是客觀現實。
這個問題又懸而未決了12年（其間1962年11月18日，和愛因斯坦在量子力學問題上互掐了幾十年的哥本哈根學派代表人物——物理學家玻爾也去世了）。轉眼到了1967年，一個物理學新手，即將獲得哥倫比亞大學天體物理學博士學位的約翰•克勞澤，接棒愛因斯坦挑戰量子力學的使命。他準備用事實（物理實驗）來證明量子糾纏是錯的。
一個物理界的新手有可能挑戰成功嗎？篇幅有限，下文詳談吧。
2018年5月20日寫於多倫多
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