量子力學(xué)哥本哈根學(xué)派掌門人 —— 尼爾斯?玻爾（Niels Bohr）曾多次說過：“如果量子力學(xué)還沒有深刻地震撼你，那你就還沒有弄懂它?！?/p>
由于與日常生活相差甚遠，許多量子現(xiàn)象不可思議：電子的量子躍遷、不確定性測量關(guān)系、電子的多重態(tài)、薛定諤貓、惠勒貓等，這些奇異現(xiàn)象不僅普通人不懂，有時就連大科學(xué)家，如愛因斯坦和量子力學(xué)創(chuàng)始人之一埃爾溫?薛定諤也曾被“繞”進去。以上這些還不算完，還有一個可以稱為“奇異中更奇異”的現(xiàn)象，這就是“量子糾纏”，愛因斯坦去世前還對此耿耿于懷，因為他沒有接受它。
“糾纏”（entanglement）這個詞，似乎暗示著 “陷入某種困境”或“麻煩”?！傲孔蛹m纏”現(xiàn)象就給科學(xué)界造成“大麻煩”。1935 年，薛定諤在《劍橋哲學(xué)學(xué)會年報》的一篇文章中首次把“量子糾纏”引入到物理學(xué)中來。他這一行為把事情鬧得很大，首先，愛因斯坦借這個茬再次找量子力學(xué)的麻煩。本來“量子糾纏”（quantum entanglement）是量子力學(xué)中的一個必然推論，愛因斯坦卻認為這是闖入物理學(xué)中的“幽靈”，直接挑戰(zhàn)他的“局域性”原則，又撼動他的相對論理論。
愛因斯坦竭盡全力捍衛(wèi)的“局域性”是指：任何兩個不在一個地方的事物要想用信號彼此聯(lián)系，最快的信息傳遞也不能超過光速。也就是說，兩地不能“隔空地、即時地”聯(lián)系。例如，兩人談話時，說話聲音通過聲波傳送，而聲波的傳送過程是需要時間的，比如，觀看電視時，畫面信息通過光波傳播，即使光傳送得最快，也是須花費時間的。任何事物都要遵守這個“局域性”約束。
一般人會認為愛因斯坦是對的，“局域性”原則毋庸置疑。正是堅信“局域性”，愛因斯坦把“光以有限速度傳播”放入他的相對論原理當(dāng)中，如果撼動“局域性”，就等于撼動“相對論大廈”的根基。此外，愛因斯坦還堅信，任何事物都要受到因果關(guān)系制約，也就是事物發(fā)生的原因在前，造成的后果在其后。但是，在 1978 年他的同事約翰?惠勒通過一個假想的“延遲選擇實驗”，就把因果關(guān)系完全顛覆。這個假想實驗陸續(xù)由多個實驗驗證，“延遲選擇實驗”證明，量子現(xiàn)象的奇異性無邊無際。
盡管愛因斯坦沖破了牛頓的經(jīng)典時空觀，盡管他是量子論的總鼻祖，但隨后量子力學(xué)的諸多發(fā)展，還是與他的經(jīng)典觀念發(fā)生不可避免的沖突。正是出于觀念上的根本原因，愛因斯坦養(yǎng)成了嘲笑玻爾的習(xí)慣，在 1927 年和 1930 年召開的兩屆索爾維物理學(xué)大會上，他兩度對玻爾發(fā)起挑戰(zhàn)，但兩次都以他失算告終。
兩次失利之后，愛因斯坦知道哥本哈根的這個對手不好惹，他改變策略，不再向玻爾隨隨便便地提出什么夢魘般的問題，他集合兩個合作者，即波利斯?波多爾斯基和內(nèi)森?羅森，撰寫一篇論文，公開就“量子糾纏”進行質(zhì)疑。1935 年 5 月 15 日，這篇論文發(fā)表在《物理評論》上，題目是“量子力學(xué)對物理實在性的描述是完備的嗎？”論文來自三位作者，以他們的姓氏第一個字母打頭，成為量子力學(xué)發(fā)展史上著名的 EPR 質(zhì)疑，又稱為 EPR 佯謬，質(zhì)疑的主要目標之一就是“量子糾纏態(tài)”。
第五屆索爾維大會以后的十多年來，愛因斯坦一直讓玻爾感到不安，EPR 這篇論文猶如一顆重型炮彈，把玻爾和他的哥本哈根學(xué)派同伙逼到無路可逃的境地，他們嚴陣以待、急謀對策。EPR 帶有強烈的哲學(xué)意味，加之涉及的話題又非常奇異和艱澀，一般人很難看懂。但玻爾心里清楚，論文直指“量子糾纏”而來。
EPR 提出一個極為不可思議的假想實驗。他們設(shè)想，把一個粒子分成“兩半”，例如一個光子分裂成一對正負電子，由于在出生時，它們沒有運動，這兩個電子將永遠處于動量相互抵消之中，這個體系不可能莫名其妙地產(chǎn)生額外的動量。當(dāng)一個電子向一個方向飛射出去，另一個電子就會朝相反方向飛射出去；當(dāng)一個電子沿順時針方向自旋，另一個電子就會沿反時針方向自旋。它們就是這樣處于“糾纏態(tài)”之中。
這個例子告訴我們一件很有意思的事，如果知道一個粒子的信息，就可以立刻知道另一個粒子的信息。例如：一旦測定一個粒子的位置，就可以立刻得知另一個粒子的位置；一旦測定一個粒子的動量，就可以立刻得知另一個粒子的動量，無論它們離開有多么遠，哪怕是幾光年的距離也無妨。
表面看來似乎這里面沒有什么別的事，但如果深挖，就會出現(xiàn)咄咄怪事。在這里要注意，微觀粒子與普通生活中見到的小球不同，它們涉及“多重態(tài)的疊加”，也就是，在我們沒有測量之前，它們總是處于各種可能的“各種可能狀態(tài)”的疊加之中，除非我們?nèi)y量它，它就會立刻“坍縮”到“某一個狀態(tài)”之下，例如具有某種動量值。現(xiàn)在的關(guān)鍵問題來了，當(dāng)我們測量第一個粒子動量時，第二個粒子是怎么“知道”自己的動量該“坍縮”到什么樣子的呢？是什么原因使它跳到這個狀態(tài)上去的呢？難道它所獲得的信息是“隔空地、即時地”傳遞過來的嗎？在這個挑戰(zhàn)性的 EPR 質(zhì)疑中，愛因斯坦提出“局域性”的詰難。它使得人們要么接受愛因斯坦的觀點，哥本哈根的量子力學(xué)存在缺陷，量子力學(xué)將從這里打開缺口，陷入危機；要么愛因斯坦的“局域性”被瓦解，這就破壞了相對論的根基。
為了挽回敗局，薛定諤曾提出一個變通的辦法。他認為，“糾纏”只出現(xiàn)在非常短的距離內(nèi)，這樣，和使粒子“坍縮”的測量時間相比，光從一點到另一點的時間可以完全忽略不計。但是，他的這一假設(shè)仍然沒有挽回敗局。而作為哥本哈根一方，對 EPR 的詰難，也沒有招架之力，就連玻爾本人最終也不得不承認，他“對愛因斯坦等人的 EPR 理論的反駁是軟弱無力的”。
爭論的雙方都沒有想到，不到幾年工夫，量子遙傳實驗徹底擊敗了愛因斯坦，量子力學(xué)第一代和第二代之爭從此落幕，這一領(lǐng)域的發(fā)展任務(wù)已經(jīng)落到第三代人的肩上。
從 20 世紀 50 年代開始，物理學(xué)進入發(fā)展的“白銀時代”，惠勒的“延遲選擇實驗”及貝爾的“不等式定理”，相當(dāng)于兩把“金鑰匙”，它們打開了量子力學(xué)實驗研究的大門。從此，以 “疊加態(tài)”和“糾纏態(tài)”為中心，掀起量子力學(xué)理論與實驗研究的新高潮?；堇铡⒅Z依曼、費曼、玻姆、貝爾、阿斯佩、克勞瑟等量子力學(xué)第三代大師陸續(xù)登場，他們的研究成果不僅在理論上深化和擴展對量子力學(xué)理論的詮釋，還把對量子理論的探討范圍從微觀領(lǐng)域拓寬到大尺度的宇宙，更把這一研究推進到哲學(xué)高度，從對“量子真實”的探討擴展到“物理真實”，以致深入到人們對“這個世界究竟是什么”及究竟“能對這個世界說些什么”等一系列哲學(xué)根本問題的認識上來。
在實驗上，更把量子力學(xué)研究從原來的“軟件”尺度，即以數(shù)學(xué)推演、思考、思辨及對話研究為主，推向“硬件”尺度的大規(guī)模實驗研究與技術(shù)應(yīng)用上來。事后的發(fā)展證明，量子力學(xué)是 20 世紀饋贈給 21 世紀的一份彌足珍貴的厚禮。
1928 年 7 月 28 日，約翰?貝爾（John Bell）出生在北愛爾蘭的貝爾法斯特。少年貝爾極具天賦，他喜好讀書，幾乎無所不知如一部“百科全書”，同學(xué)們戲稱他“教授”。由于家境貧寒，其他兄弟姐妹很早就輟學(xué)謀生，唯獨貝爾受教育的時間最長。進入 20 世紀 50 年代，貝爾通過自學(xué)通曉量子力學(xué)和粒子物理，但為了減輕家庭負擔(dān)，他從貝爾法斯特皇后大學(xué)畢業(yè)后，不得不在英國原子能研究所找到一份薪水微薄的工作。
1960 是貝爾人生轉(zhuǎn)折的一年，他與妻子一起受聘到日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心（CERN）。在這里，貝爾的工作方向是粒子物理，白天他做分內(nèi)的工作，有時加班很晚，回到家中，在夜深人靜時，把時間花在喜愛的量子理論，尤其是他迷上的量子“多重態(tài)”與“糾纏態(tài)”的理論研究。他自己也沒有料到，正是這個業(yè)余愛好，使他后來一舉成名。
貝爾常利用休年假的機會，帶著研究中的問題來到斯坦福大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)和布蘭迪斯大學(xué)訪問。1964 年，在《物理學(xué)》雜志上，他發(fā)表了一篇題為“EPR 佯謬研究”（On the Einstein Podolsky Rosen paradox）的論文。在這篇論文里，貝爾首先假定愛因斯坦的“局域性”原理成立，然后就 EPR 提出的條件，推導(dǎo)出一個重要的結(jié)果，這就是著名的貝爾不等式。
貝爾不等式相當(dāng)于給出一個評判標準，如果任何實驗證實這個不等式成立，就說明愛因斯坦所堅持的“局域性”是成立的。在論文中，貝爾還提出一個以光子的偏振態(tài)來證實糾纏現(xiàn)象的假想實驗。貝爾為量子糾纏態(tài)的神秘現(xiàn)象確立一個現(xiàn)實的研究方向，由此一躍進入物理學(xué)前沿，成為量子糾纏研究的關(guān)鍵人物。
自貝爾之后，很多物理學(xué)家利用各種實驗試圖證實貝爾不等式，但所有至今完成的實驗結(jié)果，都違背貝爾不等式，因此都證明愛因斯坦所一再強調(diào)的“局域性”是不存在的，這些實驗推動量子糾纏態(tài)的研究取得巨大成功，其中值得一提的是阿蘭?阿斯佩（Alain Aspect）的工作，他的成果不僅是眾多研究中最為優(yōu)秀的一個，所揭示的問題也更深刻，同時影響更深遠。
在歐洲，阿斯佩被物理學(xué)界公認為是對貝爾理論理解最深入的人。他不僅成功地實現(xiàn)惠勒的“延遲選擇實驗”，他所領(lǐng)導(dǎo)的研究組在量子糾纏態(tài)的實驗研究中也做出最為卓越的貢獻。
阿斯佩仔細研究 EPR 假想實驗的每一步。他認為，如果能做成一個實驗，設(shè)法阻止兩個糾纏粒子之間有“即時信號”聯(lián)系，但是實驗結(jié)果表明這兩個糾纏粒子仍在聯(lián)系時，就證明愛因斯坦的“局域性”不再成立。有這個想法的時候阿斯佩年僅 27 歲，正在巴黎大學(xué)的奧爾賽讀研究生。他決定以這個實驗為基礎(chǔ)撰寫他的博士學(xué)位論文。為了實現(xiàn)這個夢想，他親自跑到日內(nèi)瓦找到了貝爾。貝爾問他：“你現(xiàn)在有沒有固定的工作職位？”當(dāng)貝爾得知，這個年輕小伙子連學(xué)位也沒有拿到時，不由替他擔(dān)心起來。這個實驗不僅難度極高，要求的靈敏度也極大，實驗的設(shè)計思想更不能有任何瑕疵。他對阿斯佩說：“你一定是一個相當(dāng)有勇氣的年輕人！”說完這句話，貝爾把后面要說的話咽了回去，他想警告阿斯佩，這件事肯定會毀了他的前程。
阿斯佩設(shè)計的實驗的確非常漂亮，然而實現(xiàn)起來難度確實極高，又獨具風(fēng)險。為了有足夠長的實驗通道，他和同伙選擇在巴黎大學(xué)的地下室進行。從實驗設(shè)計、清理實驗場所到準備器材，所花的時間比預(yù)期要長得多。他們選擇激光器、計算機、偏振器和光信號靈敏開關(guān)后，一次次地反復(fù)調(diào)試，直到 1982 年初才開始進行正式的實驗，最后終于在 1982 年 6 月 22 日這一天獲得了成功。
阿斯佩使用的是鈣光源 S。把鈣原子激發(fā)到一個很高的能態(tài)后，在它回到一個低能態(tài)做單次躍遷時，同時釋放出一對反向運動的光子，這兩個光子呈現(xiàn)偏振關(guān)聯(lián)的糾纏態(tài)。他們同時設(shè)法使兩個偏振器 P 的偏振方向也呈現(xiàn)某種關(guān)聯(lián)，如果兩個光子真是呈現(xiàn)偏振關(guān)聯(lián)，沿著一個方向行進的光子通過偏振器時，另一個方向的光子也一定也同時通過另一個偏振器，也就是說，兩個光子要么全通過，要么就全不通過。為了防止兩個光子彼此發(fā)生這種關(guān)聯(lián)態(tài)間的信號聯(lián)系，需要加大兩個偏振器 P 間的距離，這是實驗的關(guān)鍵點。在巴黎大學(xué)的地下實驗室，他們使偏振器 P 與光源 S 的距離增加到了 6 米，在兩個光子分別到達偏振器的那一刻，它們要想發(fā)生信號聯(lián)系，最快的光信號至少需要 40 納秒，即四十億分之一秒，然而在它們之間距離超過 12 米的情況下，即使它們用光信號，在這個時間內(nèi)也是不可能發(fā)生聯(lián)系的。為了控制入射的是單個光子，還得再裝設(shè)一個開關(guān)，允許在一定的時間間隔內(nèi)，一次只允許一個光子進入。
為了驗證愛因斯坦對量子力學(xué)理論“非局域性”挑戰(zhàn)正確與否，他們把兩個偏振片之間的距離增加到 13 米，此外又采用聲光調(diào)制器控制的量子開關(guān)，使偏振片可以迅速地移入或移出，其中的時間間隔恰好是光傳輸這 13 米的時間，即 43 納秒。阿斯佩設(shè)計量子開關(guān)時間是 6.7 到 13.3 納秒，這樣就排除了兩個光子在進入開關(guān)前有相互聯(lián)系的情形。
隨后，為了進一步消除實驗的系統(tǒng)誤差，他們又進行改進，采用光子雙通道的方案，使光子先經(jīng)過一道閘門 K，然后再進入偏振片，K 可以改變光子的方向，引導(dǎo)它去向兩個不同的方向。最后把四個通道的測量數(shù)據(jù)匯總到監(jiān)測器 D 中進行復(fù)核處理。這一實驗的結(jié)果發(fā)表在當(dāng)年 12 月 20 日的《物理評論快報》上。
阿斯佩實驗組的實驗設(shè)計思想之精巧，器材配合之精良堪稱一絕，同業(yè)人無不贊嘆。最后，他的結(jié)果以非常高的精度證實兩個糾纏粒子狀態(tài)間的關(guān)聯(lián)是不需要時間的，量子力學(xué)規(guī)律是“非局域性”的，這一結(jié)果非常驚人。1983 年，在阿斯佩的博士論文答辯會上，貝爾親自到場，考察阿斯佩的實驗，對他的這一成果贊嘆不止，稱之為“具備諾貝爾物理學(xué)獎水平的最優(yōu)秀論文”。
阿斯佩研究組的這一成功具有很特殊的意義。它不僅毋庸置疑地證實量子力學(xué)的“非局域性”，實驗本身也具有開創(chuàng)性，使巴黎大學(xué)在以后十幾年中始終成為量子力學(xué)實驗領(lǐng)域的中心。多年以后，當(dāng)阿斯佩回憶起他們在 20 世紀 80 年代所完成的這一系列實驗時，不無自豪地說：“在那一時期，‘我們所做的這些事意味著什么’還不被人所熟知，但是我們的工作引起了人們的注意，這是使我們感到自豪的事?！?/p>
在阿斯佩實驗成功的鼓舞下，從 20 世紀 80 年代起，世界各地的糾纏態(tài)實驗如雨后春筍般地發(fā)展起來，這為量子力學(xué)的基礎(chǔ)研究打下堅實的基礎(chǔ)。
本文來自微信公眾號：原點閱讀 （ID：tupydread），作者：魏鳳文 武軼
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