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愛因斯坦也會犯下大錯誤,超光速傳遞信息真的可行?

憑藉著光電效應理論,阿爾伯特愛因斯坦在量子力學領域奠定了重要的地位,但他對這一理論的哲學蘊意深感困擾,雖然愛因斯塔以推導出質能方程E=MC2而聞名於世。但實際上,他對物理學的最後巨獻是一篇發表於1935年的論文。論文合著者是他年輕的同事們鮑里斯.波多爾斯基和納森.羅森。直到上世紀80年代,它都被當做一個奇怪的哲學註腳。


這篇闡述愛因斯坦,波多爾斯基,羅森(簡稱EPR)的論文現在成為了重新理解量子物理學的中心,因為文中描述了一個奇怪的現象,現在人們稱這種現象為糾纏態。這篇論文先考慮一個可以產生成對的粒子的源,每個粒子有兩個可測量的屬性,每個屬性的測量都有兩種可能的結果,兩種結果出現的概率是相等的。

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假設第一種屬性的測量結果是:狀態0或者狀態1,第二種屬性的測量結果是A或者B。一旦一個粒子的屬性被測量了一次,無論再測量多少次這一個粒子中的這一個屬性,都會得到同樣的結果。這種現象的奇怪之處在於,它不僅表明了一個單粒子的狀態在被測量之前是不確定的,它也表明了,測量這個行為本身決定了粒子的狀態。而且,測量之間也是互相影響的。如果你測量一個粒子的第一個屬性,它的測量結果是狀態1,你接著測量這個粒子的第二個屬性,你又50%的幾率得到狀態A或者狀態B。但是,如果你再回頭去測量第一個屬性,即使它已經被測量過一次並得到結果1,你也將有50%的幾率得到狀態0。所以,輪流測量一個粒子的不同屬性會重置原始的結果,讓一個全新的、隨機的結果變成可能。


如果你同時觀察一對粒子,結果會變得更奇怪。兩個粒子都會得到隨機的測量結果。但是,如果你把它們放在一起比較。你會發現,它們總是完美的彼此相關。比如,如果兩個粒子的測量結果都是狀態0,它們的關聯結果就會一直這樣保持著。這兩個粒子的狀態會互相糾纏。測試其中的一個粒子,就能準確無誤的預測另一個粒子的狀態。但是量子糾纏似乎違背了愛因斯坦提出的著名的相對論,因為兩個粒子之間的距離是沒有限制的。如果中午時,你在紐約測量一個粒子。一納秒後,你在舊金山測試另一個粒子,它們還是會得出同樣的測量結果。但是,如果測量這一行為決定了所得的結果。那麼第一個粒子,就需要以光速的一千三百萬倍的速度向第二個粒子傳遞某些信息。而相對論認為,這是不可能實現的事情。

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基於這個理由,愛因斯坦駁斥這個現象為「spuckafte ferwirklung」,或者說「遠距離幽靈行為」。他認為,這一定是因為量子力學本身並不完善,兩個粒子一定有一個我們所不知道的先決狀態,而量子力學太過膚淺,不足以揭露和解釋這一事實。而在尼爾斯.波爾的帶領下,正統的量子理論支持者們堅稱量子狀態是真的不可確定。量子糾纏讓一個粒子的狀態受另一個粒子的狀態影響,即使它們相隔甚遠。物理學因此陷入僵局,直至三十年後,約翰.貝爾發現要解決EPR爭論,我們應當觀測對兩個粒子的不同屬性的測量。愛因斯坦,波多爾斯基和羅森的「局域隱變數理論」,嚴格地限制了得到1A或者B0這樣的結果的幾率,因為結果是可以被提前定義的。


貝爾展示了純粹的量子方法--粒子的狀態在測量前是完全不可確定時--有著不同的限制,並以此預測了混合的測量結果,這些結果在粒子狀態可預訂的情況下不可能存在。貝爾得出檢驗EPR的理論的方法後。物理學家們照此展開了實驗。從70年代的約翰.克勞澤和80年代早期的阿蘭.阿斯佩開始,大量實驗檢驗了EPR預測,並得出了同樣的結論:量子力學是正確的。兩個互相糾纏的粒子之間的不確定狀態的相關性是真實存在的,而且無法被任何更深層次的變數所解釋。那篇EPR論文被證明是錯誤的,但它是個偉大的錯誤。

愛因斯坦也會犯下大錯誤,超光速傳遞信息真的可行?


通過引導物理學家們更深入地思考量子物理的基礎,這篇論文使得量子理論得到了進一步的闡述和完善,也推動了對相關課題的研究,比如說量子信息學。這是一個新興的領域,具有創造出超級電腦的潛力。不幸的是,測量結果的隨機性讓科幻小說里的場景可能無法成為現實,比如利用糾纏粒子超光速的傳遞信息。所以就現在而言,相對論是安全的,但是量子宇宙的奇特之處遠遠超出愛因斯坦的想像。


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