1935年5月,三人聯合發表了壹篇題為《量子力學能否完整描述物理現實?這篇論文”,向量子力學提出了壹個強烈的問題。
愛因斯坦等人根據量子力學設計了壹個精巧的實驗。用高能光子照射特殊晶體,特殊晶體的外層電子跳躍兩個能級,然後回落時釋放壹對低能光子(每個能級壹個)。基於守恒定律,釋放出的光子的量子態具有某種相關性,比如偏振。
根據哥本哈根學派的解釋,這些光子的量子態,與微觀粒子的狀態有關,在測量之前是不確定的。那麽問題來了,如果我把這兩個光子通過光路往兩個相反的方向送,然後同時測量會怎麽樣?
按照哥本哈根學派的解釋,情況很有意思,因為兩個光子的量子態在被測量之前是不確定的,壹個被測量的態直到其中壹個被測量才被確定,而由於兩個光子的量子態之間的相關性,意味著壹個光子的態被確定,另壹個光子對應的量子態也同時被確定!然而,問題來了。根據守恒,光子對的量子態必須同時確定。但是,我們把他們隔得很遠,他們之間的交流需要時間。那麽另壹個光子是如何獲得第壹個被測光子的狀態信息,從而坍縮到相應的狀態的呢?
顯然,這種關聯坍縮產生了超光速的信息傳遞,違背了狹義相對論信息傳遞不能超光速的基本規律,而狹義相對論已經被廣泛接受,自然沒有人願意挑戰它的正確性,包括哥本哈根學派的科學家。所以愛因斯坦認為量子力學是不完整的,壹定有問題或者未知因素。玻爾等人看到這種提問紙肯定嚇到了。
不過愛因斯坦在提出這個悖論後也給出了自己的經典解釋:兩個光子的狀態是在它們產生的壹瞬間確定的,也就是在電子能級下降釋放它們的壹瞬間,它們的狀態就已經確定了。之後,即使妳把它們分隔成1000億光年,重新測量,也不會影響它們現有的量子態,它們之間也不需要互相交流如何坍縮,因為從壹開始就已經確定了。這樣,悖論就不存在了。
玻爾當然不想放棄他對哥本哈根的解讀,他在自己非凡的洞察力下很快發現了問題。他指出,這對光子在被測量之前不是兩個光子,而是壹個整體,是它,不是它們,在被測量之前是用壹個波函數來描述的。不存在兩個分離的波函數(在量子力學中,微觀粒子在被測量之前只能用波函數來描述),在被測量之前,它只有壹個波函數。
玻爾的解釋如此精妙,與哥本哈根學派對量子力學的解釋壹脈相承——既然在被測量之前沒有確定的態,為什麽妳會認為它有兩個波函數?這不是流氓嗎...
在玻爾的解釋中,壹個光子對的狀態直到其中壹個被測量後才能確定。所以波函數坍縮(光子從不確定態變為確定態)只發生在測量過程中,而系統(光子對)之前是所有可能的疊加態。測量使系統的整個空間崩潰...是的,整個空間坍縮,和距離無關,所以不存在所謂的信息超光速傳輸。這其實和單個光子的全空間坍縮是壹樣的。即使是光子,它的波函數也滲透到整個空間所有可能的位置,但壹旦被測量,也只是在壹個位置。如果妳覺得需要時間或者速度,那麽波函數坍縮本身分分鐘就超過光速了,因為妳可以說:壹年前發射的光子怎麽通知自己不要出現在1光年之外?
所以,真正怪異的不是量子糾纏,而是疊加態本身。
這種解釋自然是愛因斯坦無法接受的,他直到去世也從未公開宣布接受量子力學的完備性。所以才有了那句名言:上帝不擲骰子!
其實不能怪愛因斯坦固執。在他的壹生中,他提出的EPR佯謬沒有被實驗室的實驗證實或推翻,他所相信的隱變量也從未被證偽。因為沒有人能設計出可行的方案來驗證,雖然當時幾乎沒有人懷疑量子力學的完備性。但作為壹個有獨立思考的大科學家,他始終堅持自己的信念,宇宙是可以理解的。
我不認為愛因斯坦是錯的。錯的是《泰晤士報》沒有給他答案。
1955年4月18日,愛因斯坦去世了,最後他沒有等到他需要的答案。直到9年後,1964,壹個以他名字命名的實驗物理學家貝爾不等式,只有設計壹個實驗來驗證不等式,才能判斷EPR佯謬的哪壹方是正確的。貝爾是愛因斯坦的腦殘粉。
直到20世紀70年代,第壹個驗證貝爾不等式的實驗才成功。20世紀80年代後,更嚴謹的實驗再次驗證了貝爾不等式。所有實驗都違反了貝爾不等式,說明愛因斯坦的隱變量不存在!證明了量子力學對客觀世界的描述是完整的。但當時的實驗還是有漏洞的,比如隨機數漏洞,實驗距離也不足。
本世紀完成了越來越多的嚴謹的貝爾實驗,包括中國墨子實驗衛星進行的1000多公裏的量子糾纏實驗,數萬人通過遊戲程序提供隨機數的大貝爾實驗。可以認為現在的貝爾實驗沒有漏洞,但是所有的實驗結果都證明了量子力學的正確性和完備性。
今天,我們只能說,我們有壹個不可理解的宇宙,至少現在,是不可理解的。我們不知道為什麽會有疊加態,為什麽會有波函數坍縮,為什麽會有量子糾纏。所有這些謎題都在等待世界頂尖科學家來解答。妳能成為解決這些難題的人嗎?