宇宙自然生命簡史：21神奇的量子糾纏

要理解什麼是量子糾纏，我們必須回到這個問題的源頭，那就是 1935 年 5 月，愛因斯坦同兩位年輕的美國物理學家波多爾斯基和羅森在美國《物理評論》47 期發表了題為《能認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎？》的論文，在物理學界、哲學界引起了巨大的反響。

這篇論文提出了一個名垂千古的思維實驗，以論文的三位聯合作者的首字母命名，稱為「EPR 實驗」。正如這篇論文的標題所表達的意思那樣，愛因斯坦想用這個思維實驗來告訴物理界，以玻爾為代表的哥本哈根學派的量子力學解釋是有問題的。

到底什麼是EPR實驗，如果我用愛因斯坦的原始論文來講解，會非常困難，但這個實驗原理經過這麼多年的發展，已經有了一個更加通俗易懂的等價版本，理解起來會比愛因斯坦的原始論文容易的多。

首先，我們要理解一個基本概念，就是電子的「角動量」。什麼是角動量呢？最常見的比喻就是花樣滑冰中的旋轉動作。運動員把自己抱的越緊，就轉的越快，物理原因就是角動量守恆。所以，僅僅從理解概念的角度，我們可以很粗糙地認為，角動量就是轉動掃過的圓面積和轉速的乘積，是一個固定的值，面積變小了，速度就必須增大。

按照普適的物理法則，電子與原子核構成的總角動量也是守恆的，但是，物理學家們在實驗中發現，在某些情況下，這個系統的角動量總是會丟失一部分，這個就很奇怪了，難道在微觀世界，連角動量也不守恆了。後來發現，守恆定律並沒有被打破，而是電子自身也有角動量，整個系統丟失的角動量其實轉移到了電子身上，總的角動量依然是守恆的。因為角動量跟旋轉有關，所以物理學家們就把電子的角動量稱為「自旋」。但我必須強調一句，雖然叫做自旋，但真實的電子並不是像陀螺一樣繞著一個軸旋轉。那它到底是怎麼個轉法？對不起，真的沒法描述，說實話，物理學家也不知道，量子世界的很多東西都是只能意會無法言傳，就像波粒二象性。我們只是在實驗中發現電子有角動量，然後給電子的這個特性起了個形象化的名稱叫「自旋」，僅此而已。

科學家們還發現，電子的自旋態只有兩個自由度。在量子理論中，說不清道不明的概念實在是一堆一堆的。我只能試圖用下面這個比喻來說明這個自由度是啥意思。

假如把這個旋轉的滑冰者比喻成一個電子，那麼，不論我們朝哪個方向去觀察它，都只能看到兩種結果中的一種，要麼頭對著我們，要麼腳對著我們，不可能看到其他情況。這個大概就是電子只有兩個自由度的概念。

大家都知道，我們的空間是一個三維的空間，也就是說空間中有三個互相垂直的方向，我們把他稱為 X、Y、Z。

為了語言上描述的方便，現在我們來做一個人為的規定，假如我們從Y軸方向去觀察一個電子，那麼電子就只有兩種自旋態，一種我們叫上自旋，另一種我們叫下自旋。總之，電子的自旋態只有兩個自由度，雖然很奇怪，但確實是實驗觀察的結果。假如我們從X軸方向去觀察一個電子，那麼我們就把它的兩個自由度叫做左自旋或者右自旋。如果從Z軸方向去觀察，那麼我們就叫前自旋或者後自旋。請注意，這些上下左右前後僅僅是我們為了描述方便而起的名字，並不是真正的有這些上下左右的方向，如果我們用 abcd 來指代也是完全可以的。

接下去，物理學家又發明了一個裝置，稱之為偏振器，它可以對電子進行篩選，比如，只允許上自旋的電子通過，或者只允許左自旋的電子通過，真實的偏振器長這個樣子。

下面的這張照片是我國最著名的量子通信專家潘建偉和他實驗室，他面前的那些令人頭暈目眩的複雜設備，基本上都是各種各樣的偏振器。（說明：這些其實是光偏振器）

為了我講解的方便，我把偏振器抽象成這個樣子：

箭頭向上的偏振器，表示只允許向上自旋的電子通過，箭頭向左就表示只允許向左自旋的電子通過，這個很好理解吧？接下去，我們開始做物理實驗：

讓一個電子飛向 1 號偏振器，這是一個上自旋的偏振器，如果電子通過去了，說明這個電子是上自旋的。然後，在這個 1 號偏振器後面再放一個 2 號偏振器，這個偏振器是一個右自旋偏振器，如圖：

讓飛過 1 號偏振器的電子繼續朝下一個 2 號右偏振器飛，請記住，上自旋的電子有一半是左自旋，有一半是右自旋，這時候，電子有 50% 的概率能通過 2 號偏振器，實驗做 100 次，大約飛過去 50 個，次數越多，就越準確。

下面，我們就要見證令人頗感意外的關鍵實驗了，我們在後面再放一個 3 號偏振器，這是一個與 1 號偏振器一模一樣的上自旋偏振器：

大家覺得，這個電子能不能飛過去呢？別忘了這個電子可是被我們篩選出來的上自旋的電子啊。按照地球人的正常邏輯，這個電子應該百分之一百的通過下一個上自旋偏振器，對嗎？

可能大家已經想到了，量子的世界永遠不按常理出牌，實驗的結果是，這個電子仍然只有 50% 的概率通過下一個偏振器。

我們安靜 10 秒鐘，給大家回味一下，想想這意味著什麼？

它意味著：不可能在兩個不同的方向同時測准電子的自旋態

物理學家們在實驗室中千百次地證實了這個現象，怎麼會這樣呢？

以愛因斯坦為首的一派做出了一個解釋，我相信這個解釋可能符合我們大多數人對世界的看法：這是因為我們的測量行為本身影響了電子的自旋態。也就是說，當電子通過 2 號偏振器時，這個偏振器已經隨機改變了電子在 Y 軸方向的自旋態。

但是，以玻爾為首的哥本哈根學派卻不同意愛因斯坦的觀點，他們堅持認為：電子本身不存在確定的自旋態，在測量之前，電子處在所有自旋態的疊加狀態，去追問到底是哪個態，對不起，這個問題沒有意義！沒有意義！沒有意義！重要的觀點強調三遍。

愛因斯坦聽到玻爾的解釋，那是當場被氣樂了，居然還有這樣的解釋。但是玻爾一臉的認真相，回應說有本事你證明我錯了啊。

我現在想請問大家，如果回到 80 多年前，你們會站在哪一邊？誠實地回答我。我覺得，站在玻爾這邊的人要麼是不誠實，要麼是被埋沒的物理天才。愛因斯坦和玻爾為了這個問題吵的不可開交，他們在索爾維會議上公開辯論，針鋒相對，這成了物理學史上的一段佳話。

當時間走到了 1935 年 5 月，愛因斯坦和他的兩個學生波多爾斯基和羅森一起向哥本哈根學派放出了一個大招，那絕對是一個超級大招，這個大招史稱為EPR悖論，也可以戲稱為「愛菠蘿悖論」，也就是我剛開始提到的那篇論文。讓我們來看看這個愛菠蘿大招到底是什麼大招。

這個大招就是一個思想實驗。愛因斯坦說，首先，我們在實驗室中製備一對角動量總和為零的電子對，這個在理論上是有可能實現的，具體怎麼製備的方法我們暫且不用去深究。繼續聽下去之前，請大家先記住一個最基本的物理定律：角動量守恆。

然後，我們把這一對電子擊碎，讓他們分離。我們可以打一個比方來幫助你想像，我們在一個玻璃球的中心放一點火藥，然後砰的一下把它們給炸開。剛好炸成了兩個碎塊，這兩個碎塊如果一個逆時針旋轉的，那麼另一個一定是順時針旋轉，理由就是角動量守恆，這是本宇宙的基本法則，不管在微觀世界還是宏觀世界，這個法則都是成立的。現在我們讓這一對原本角動量守恆的電子分開，為了描述方便，我們把這兩個電子分別叫做紅電子和藍電子，藍電子朝左邊飛，紅電子朝右邊飛，讓他們分離的足夠遠，比如說一個飛到上海，一個飛到北京吧。

我們在北京和上海各放一個偏振器，北京的偏振器是右自旋的，上海的偏振器是上自旋的：

現在，假設，兩個電子都通過了偏振器，那麼，說明紅電子是上自旋，根據角動量守恆定律，可知藍電子必是下自旋。而藍電子通過了右偏振器，說明藍電子是右自旋，根據角動量守恆定律，紅電子必然是左自旋。

這樣一來，我們不就確定了紅藍電子在兩個方向上的自旋態了嗎？即便紅藍電子都沒通過偏振器，或者一個通過一個不通過，也不要緊，可以用相同的邏輯推斷出每個電子在兩個方向上的自旋態。

而玻爾的量子理論不是說：不可能在兩個不同的方向同時確定電子的自旋態嗎？

現在，紅藍電子在兩個方向上的自旋態不都確定下來了嗎？唯一的解釋就是紅藍電子在分離的那一瞬間，它們在兩個方向上的自旋態就已經確定了。可見，不是電子有什麼神奇的疊加自旋態，測不準原理就是因為測量行為本身干擾了電子的自旋態，只要我們不去測量，他們的自旋態還是確定的！

這個大招太厲害了！如果你聽懂了我前面的描述，我想再次誠懇地問剛才站在玻爾這邊的聽眾，你們是否還認為愛因斯坦是錯的呢？

1935 年，整個物理學界都被愛菠蘿悖論掀起了軒然大波，有一大波中間派的物理學家們開心壞了，他們就等著看熱鬧，就想看看玻爾、海森堡這些哥本哈根學派的大牛們怎麼應對愛因斯坦的大招。

玻爾一看到EPR悖論的論文，頭都大了，他立即放下所有的工作，全力迎戰，思考了三天，終於寫下了一篇反擊論文，論文的題目居然和愛因斯坦的論文標題一模一樣，明擺著跟他懟，玻爾在這篇論文中的主要觀點是：

EPR 論文看上去環環相扣，邏輯嚴密，但是，我玻爾還是給你挑出了一個毛病。在愛因斯坦的整個邏輯鏈中，有一個關鍵性的假設，那就是，測量紅電子的行為不會影響藍電子，測量藍電子不會影響紅電子。但是，這是錯誤的，因為紅藍電子處於一種神奇的量子糾纏態中，不論他們離的有多遠，哪怕一個在宇宙的這頭，一個在那頭，只要對其中一個進行測量，立即就會干擾另外一個。

愛因斯坦一聽這話，被氣得樂了，好嘛，玻爾你的意思是不是說紅藍電子有超距作用，換句話說，它們能夠進行超光速的通信，一個被測量了，另一個瞬間知道。來來來，你先來推翻我的相對論先，大家知道，在相對論中，任何信息和能量的傳遞速度無法超過光速。

玻爾說，對不起，愛因斯坦前輩，我不是這個意思，我沒有說你的相對論不對，我也沒有說紅藍電子可以進行超光速通信，我只是說，紅藍電子是一個整體，他們的自旋態在沒有測量前不是一個客觀實在，不是一個客觀實在，不是一個客觀實在，重要的話說三遍。

愛因斯坦聽完徹底被氣暈了，說你這解釋還不如超光速呢，這叫什麼解釋，什麼叫不是客觀實在，在物理學上，居然還存在不是客觀實在的屬性？愛因斯坦是拚命地搖頭，他對玻爾太失望了。他們一直到死，誰也沒有說服誰。

一個電子的物理性質到底具不具備客觀實在性呢？那什麼又是客觀實在呢？這些問題似乎已經到了哲學的範疇。但是，我敢保證，如果人類只有哲學思辨，那麼永遠也吵不出一個結果。好在，我們還有數學，還有科學。只有科學能給出確定的答案。這個問題到底怎麼破？咱們把懸念留到下一期

兩點說明：

EPR 的原始論文並沒有以電子自旋態作為思維實驗基礎，而是用的微觀粒子的位置和動量來做思維實驗。這裡為了科普的需要做了改動，但並不影響對物理知識的正確理解。

真實的EPR實驗不是測量電子，而是測量光子，因為光子的糾纏態遠比電子容易製造，光子的偏振器也遠比電子的偏振器容易製造。

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