能認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎?
若測量一個粒子便鎖定其遠方夥伴,量子理論必不完備。
在這邊測量一個粒子,它遠方的夥伴彷彿在同一瞬間就打定了主意——這條聯繫,愛因斯坦無法忍受,並以此論證:量子理論一定漏掉了什麼。
核心想法
量子力學說,一個粒子在你測量之前,並沒有確定的位置或動量——只有機率。愛因斯坦,連同波多爾斯基與羅森,認為這不可能是故事的全部。他們設想:兩個粒子一同誕生、再被送往遠方,命運彼此鎖死——你為其中一個測出什麼,立刻就知道另一個相匹配的答案。
他們布下的陷阱是這樣的。假設你透過測量粒子 A,就能完全確定地預測粒子 B 的結果,而根本不去碰 B。那麼 B 想必早已具有那項性質——它是實在的,早在你去看之前,就好端端待在那裡。可量子力學偏偏拒絕預先給 B 賦予那個確定值。於是 EPR 斷言:這套理論必定不完備——其中一定有它略去未提的隱藏細節。愛因斯坦希望實在是定域的(沒有瞬時的超距影響),而且是確定的。量子力學,這兩樣似乎都給不了。
它是如何誕生的
到 1935 年,愛因斯坦幫著建起了量子理論,卻已對它那幅世界圖景生出不信任。在普林斯頓高等研究院安頓下來的他,與兩位年輕些的同事——鮑里斯·波多爾斯基和內森·羅森——合作,要把這份不安,化成一個誰也揮之不去的論證。文章由波多爾斯基執筆,結果,他在正式發表前把它透給了報界——《紐約時報》登出了標題,而愛因斯坦對那種說法頗為惱火。
據說,量子力學的偉大旗手尼爾斯·波耳,為此投入了數週的緊張工作,又以一模一樣的標題發文回擊。他論證道:EPR 那種「粒子獨立於你如何選擇測量、自身便擁有種種性質」的想法,對糾纏系統根本不適用。這場爭論就這樣擱了三十年:對同一組方程的兩種精彩解讀,卻沒有一個實驗能在它們之間作出裁決。
它為何重要
EPR 做成了一件罕見的事:他們把一個關於實在的哲學問題,變成了一個精確、可回答的問題。他們本想揭露量子力學的一個破綻。結果,1964 年,物理學家約翰·貝爾找到了一條路,把他們的思想實驗變成一個真實的檢驗——而其後數十年的實驗,交出了一個愛因斯坦會深惡痛絕的判決:自然界確實如方程所言那般離奇;EPR 所盼望挽救的那個安穩的、定域而確定的世界,並不存在。
他們的誠實,正是關鍵所在。在他們的假設之下,EPR 的邏輯完美無缺;落空的,是其中一條假設——影響不能跑得比分離的速度更快——而自然界不肯遵守它。少有哪篇旨在贏得爭論的論文,錯得如此富有成果。
一個可以想像的畫面
想像一雙手套,被分裝進兩個密封的盒子,運往地球的兩端。打開其中一個盒子,看到一隻左手套,你立刻就知道:遠處那個盒子裡裝的是右手套——沒有任何信號傳過去;答案早在出發時就被封了進去。愛因斯坦希望糾纏粒子正是這樣:答案在源頭就已決定,只是被藏了起來。
可量子粒子偏偏不符合這幅圖景。對手套,你只能查「左還是右」,如此而已。對糾纏粒子,你卻可以在最後一刻,挑選去問哪一個問題——而無論你怎麼挑,遠方夥伴的答案,都吻合得太過完美。任何一雙事先封好的手套,都變不出這個戲法。正是這道落差,被貝爾變成可檢驗的,最終了結了爭論。
它的位置
這篇論文,是量子力學的奠基——普朗克、波耳、海森堡、薛丁格——與量子資訊時代之間的樞紐。它把糾纏凝結為一個概念,催生了貝爾 1964 年的定理,並引出克勞澤、阿斯佩與蔡林格那些贏得 2022 年諾貝爾獎的實驗。愛因斯坦所拒斥的那份離奇,如今正驅動著量子密碼學與量子電腦。在本館中,它緊挨著它所質疑的工作,以及它無意間播下的種種技術。
In a complete theory there is an element corresponding to each element of reality. A sufficient condition for the reality of a physical quantity is the possibility of predicting it with certainty, without disturbing the system.
If, without in any way disturbing a system, we can predict with certainty (i.e., with probability equal to unity) the value of a physical quantity, then there exists an element of physical reality corresponding to this physical quantity.
We are thus forced to conclude that the quantum-mechanical description of physical reality given by wave functions is not complete.
While we have thus shown that the wave function does not provide a complete description of the physical reality, we left open the question of whether or not such a description exists. We believe, however, that such a theory is possible.