能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?
若测量一个粒子便锁定其远方伙伴,量子理论必不完备。
在这边测量一个粒子,它远方的伙伴仿佛在同一瞬间就打定了主意——这条联系,爱因斯坦无法忍受,并以此论证:量子理论一定漏掉了什么。
核心想法
量子力学说,一个粒子在你测量之前,并没有确定的位置或动量——只有概率。爱因斯坦,连同波多尔斯基与罗森,认为这不可能是故事的全部。他们设想:两个粒子一同诞生、再被送往远方,命运彼此锁死——你为其中一个测出什么,立刻就知道另一个相匹配的答案。
他们布下的陷阱是这样的。假设你通过测量粒子 A,就能完全确定地预测粒子 B 的结果,而根本不去碰 B。那么 B 想必早已具有那项性质——它是实在的,早在你去看之前,就好端端待在那里。可量子力学偏偏拒绝预先给 B 赋予那个确定值。于是 EPR 断言:这套理论必定不完备——其中一定有它略去未提的隐藏细节。爱因斯坦希望实在是定域的(没有瞬时的超距影响),而且是确定的。量子力学,这两样似乎都给不了。
它是如何诞生的
到 1935 年,爱因斯坦帮着建起了量子理论,却已对它那幅世界图景生出不信任。在普林斯顿高等研究院安顿下来的他,与两位年轻些的同事——鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森——合作,要把这份不安,化成一个谁也挥之不去的论证。文章由波多尔斯基执笔,结果,他在正式发表前把它透给了报界——《纽约时报》登出了标题,而爱因斯坦对那种说法颇为恼火。
据说,量子力学的伟大旗手尼尔斯·玻尔,为此投入了数周的紧张工作,又以一模一样的标题发文回击。他论证道:EPR 那种「粒子独立于你如何选择测量、自身便拥有种种性质」的想法,对纠缠系统根本不适用。这场争论就这样搁了三十年:对同一组方程的两种精彩解读,却没有一个实验能在它们之间作出裁决。
它为何重要
EPR 做成了一件罕见的事:他们把一个关于实在的哲学问题,变成了一个精确、可回答的问题。他们本想揭露量子力学的一个破绽。结果,1964 年,物理学家约翰·贝尔找到了一条路,把他们的思想实验变成一个真实的检验——而其后数十年的实验,交出了一个爱因斯坦会深恶痛绝的判决:自然界确实如方程所言那般离奇;EPR 所盼望挽救的那个安稳的、定域而确定的世界,并不存在。
他们的诚实,正是关键所在。在他们的假设之下,EPR 的逻辑完美无缺;落空的,是其中一条假设——影响不能跑得比分离的速度更快——而自然界不肯遵守它。少有哪篇旨在赢得争论的论文,错得如此富有成果。
一个可以想象的画面
想象一双手套,被分装进两个密封的盒子,运往地球的两端。打开其中一个盒子,看到一只左手套,你立刻就知道:远处那个盒子里装的是右手套——没有任何信号传过去;答案早在出发时就被封了进去。爱因斯坦希望纠缠粒子正是这样:答案在源头就已决定,只是被藏了起来。
可量子粒子偏偏不符合这幅图景。对手套,你只能查「左还是右」,如此而已。对纠缠粒子,你却可以在最后一刻,挑选去问哪一个问题——而无论你怎么挑,远方伙伴的答案,都吻合得太过完美。任何一双事先封好的手套,都变不出这个戏法。正是这道落差,被贝尔变成可检验的,最终了结了争论。
它的位置
这篇论文,是量子力学的奠基——普朗克、玻尔、海森堡、薛定谔——与量子信息时代之间的枢纽。它把纠缠凝结为一个概念,催生了贝尔 1964 年的定理,并引出克劳泽、阿斯佩与蔡林格那些赢得 2022 年诺贝尔奖的实验。爱因斯坦所拒斥的那份离奇,如今正驱动着量子密码学与量子计算机。在本馆中,它紧挨着它所质疑的工作,以及它无意间播下的种种技术。
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.