爱因斯坦幽灵能实现超光速通信吗
发布时间:2017-02-17
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

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AB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,而月球上B的后测量是其,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AB,结果应如何呢?量子力学预言,每次AB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,AB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”“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100EPR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100A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iEPR粒子中AiBi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,终被证明是而不,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。

关闭