量子巅峰对决：这次爱因斯坦还是没懂！

出品：科普中国

作者：栾春阳（清华大学物理系）

监制：中国科普博览

在上回故事中，我们回顾了以爱因斯坦为代表的量子物理学派，和以波尔为代表的经典物理学派的理论，并且感受到了第一次量子巅峰对决的精彩。

爱因斯坦坚信经典物理学中朴素的哲学观点，即物理世界应该是“确定性”的，并且物理规律也必须遵循严格的“实在性”和“局域性”。而波尔则强调，微观世界不应该再用宏观世界中的经典物理理论进行描述，而是需要采用量子力学中的“概率性”。因此，我们不能再从经典物理的角度出发，来思考微观的量子世界的奇妙事件。

量子“波函数”示意图

（图片来源：veer图库）

虽然在第一次量子巅峰对决中，爱因斯坦身处的经典物理学派并没有占到上风。然而，爱因斯坦灵机一动，准备从他更擅长的狭义相对论出发，来向波尔发起第二次更加精彩的量子巅峰对决！

爱因斯坦：我就不信，谁能比我更懂狭义相对论？

虽然早在1921年，爱因斯坦就因为解决了光电效应的问题，而荣获当年的诺贝尔物理学奖。但是，爱因斯坦更为世人所熟知的科学成就，却是他提出的狭义相对论原理。

狭义相对论中“时光锥”的示意图

（图片来源：Wikipedia）

可以说，狭义相对论是爱因斯坦最擅长，也是最满意的理论之一。虽然狭义相对论的理论十分深奥和复杂，但是我们不必处处深究其推导和论证过程，只需要知道其中最为重要的一点即可。

那就是，光速是宇宙中最快的速度，任何信息传递的速度都不可能超过光速。因此，爱因斯坦十分肯定地强调，对于两个相距很远的物体，它们之间传递信息的最快速度不可能超过光速。

EPR佯谬——经典物理学派的第二次挑战

大家还记得量子纠缠的含义吗？之前我们说到，在量子力学的理论体系中，当一对微观粒子在相互作用后，无论这相距多远，其中一个微观粒子的变化都会立即导致另外一个微观粒子也发生改变。从我们身处的宏观世界角度来看，这对处于量子纠缠的微观粒子，无论相距多远，似乎总是存在一种瞬间的信息沟通。

然而，根据狭义相对论中的核心观点，即“光速是宇宙中最快的速度”，这对处于量子纠缠状态的微观粒子之间，就不可能存在超光速的瞬间信息沟通。因此，量子纠缠这一概念一定是错误的。

于是在1935年，爱因斯坦（Einstein）找到了两位得力的帮手，分别是波多尔斯基（Podolsky）和罗森（Rosen）。他们两位和爱因斯坦合作，组建了一支以他们三位科学家名字首字母为组合的“EPR挑战团”，准备发起经典物理学派的第二次挑战。

爱因斯坦,波多尔斯基和罗森

（图片来源：Wikipedia）

他们三位提出了一个绝妙的思想实验。这次他们有充足的自信可以胜利，因为既然狭义相对论是对的，那么量子纠缠就是不存在的。这个著名的思想实验，也被称为“EPR佯谬”。

1935年，《纽约时报》报道的“EPR佯谬”头条新闻

（图片来源：Wikipedia）

EPR佯谬的实验设想是这样的：假如地球上的某个不稳定的大粒子发生衰变，那么衰变的大粒子就会生成A和B两个小粒子，并且从原点开始向着两个相反的方向飞出去。然而，物理量总是满足守恒的关系，也就是说，由于A和B两个粒子是由同一个大粒子衰变形成的，那么A和B粒子的物理量总和应该始终保持不变。

量子纠缠概念图

（图片来源：veer图库）

然而，有趣的事情马上就开始出现了！

当A和B这两个粒子向着相反的方向，并且已经飞出了足够远的距离（比如A粒子飞到了金星，而B粒子已经飞到火星），这时，即使A和B粒子之间要用光速来传递彼此间的信息，也需要一段的时间，而不可能是瞬间完成的相互作用。

此时，如果金星上的A粒子的某个物理量被测量出来，那么根据物理量守恒的原理，我们就可以立刻知道远在火星上的B粒子的状态。而根据爱因斯坦的狭义相对论基本原理，这种A和B粒子之间的超距相互作用是不可能瞬间发生的。

如果以上内容你都认可，那么只有一种可能，就是A和B粒子在彼此分开前的那一刻，就各自处于确定的状态，而不是所谓概率性的叠加态。

因此经典物理学派强调，量子力学中的概率性原理并非本质的特征，而只应该是一种表面的现象。

波尔的反击——不是我不懂狭义相对论，而是你不理解量子力学

面对经典物理学派发起的第二次对决挑战，以波尔为代表的量子物理学派不由得紧张起来。这是因为，EPR佯谬这个思想实验看起来实在是很有说服力，并且狭义相对论已经被验证是正确的。这难道说，量子力学中的量子纠缠真就是错误的吗？

波尔很快就从慌张中镇静下来，并且重新审视EPR佯谬。不久之后，波尔敏锐地发现了这个思想实验中的巨大漏洞！

假设还是一个不稳定的大粒子衰变成A和B两个粒子，A和B粒子沿着相反的方向飞行一段时间后，A粒子到达金星，B粒子也到达火星。爱因斯坦说的没错，由于A和B粒子之间满足物理量守恒的关系，我们只需要测量金星上的A粒子的状态，就可以立刻知道远在火星上的B粒子的状态。

量子纠缠概念图

（图片来源：veer图库）

这看似违背了狭义相对论中光速最快的原理，但实则不然。这是因为，我们不应该再从宏观世界的角度来理解量子纠缠。其实，量子纠缠只存在于微观世界内，并且用来描述整个系统的物理量。也就是说，远距离的两个粒子的随机行为之间，总是存在某种关联性，而且需要作为一个整体进行描述，而不能将其视作两个独立的粒子，再去考虑两个粒子之间的信息传递问题。

因此，如果我们仍然从经典物理的角度，来分别观察两个粒子各自的状态，那么就会出现“EPR佯谬”中的错误。也就是说，“EPR佯谬”中的量子纠缠并不违背狭义相对论，而只是爱因斯坦错误地从宏观世界中的角度，来理解微观世界中量子纠缠的含义。

很显然，在第二次巅峰对决中，以爱因斯坦为代表的经典物理学派并没有取得胜利。但是，也正是由于经典物理学派提出的一系列有趣的思想实验，促使量子物理学派不断思考并且完善量子力学的“量子纠缠”理论。

从某种程度上来说，这一次次的巅峰对决已经不单是物理学理论的争辩，而是新旧时代的两种思维方式的碰撞。而量子力学中量子纠缠的奇妙，使得爱因斯坦都感慨，“我不相信，连上帝都要掷骰子”。

宏观世界中随机掉落的骰子

（图片来源：veer图库）

结语

在一次次的巅峰对决之后，物理学家不得不承认量子物理学派的观点，但是内心还是难以接受。这是因为量子力学的“量子纠缠”理论虽然十分奇妙，但是真的太违反我们在宏观世界中的感受了！

因此，美国物理学玻姆（Bohm）提出了一个有趣的“隐变量”假设，希望能够将经典物理学派和量子物理学派的观点相结合，实现一种双方都能满意的和解。

那么，玻姆会成功吗？请让我们在“量子纠缠三部曲”的最后一篇中，为大家揭晓谜底吧！