爱因斯坦错了

爱因斯坦错了 爱因斯坦错了:量子力学“弱点”威胁相对论 2009年04月02日07:44 环球 科学 戴维 我要评论(2) 爱因斯坦写过一篇论文来批驳量子力学，引发了他和玻尔之间的一场哲学论战，结果让物理学界背离“探究世界本原”这一古老初衷长达半个多世纪。如今，对这场论战所作的重新思考得出了颠覆性结论——爱因斯坦和玻尔全都错了。更为讽刺的是，爱因斯坦慧眼识珠找到的量子力学“弱点”，恰恰对狭义相对论构成了严重威胁，甚至撼动了整个 物理学的基石。 撰文 戴维?Z?艾伯特(David Z. Albert) 里夫卡?加尔亨(Rivka Galchen) 翻译 周荣庭 定域,非定域, 在我们感知到的宇宙中～我们只能直接影响自己能够触 及的物体。因此～这个世界似乎是定域的。 量子力学却现出一种可以超距发挥作用的效应——量子纠缠。通过这种效应～两个粒子的行为无需介质即可保持 同步。这种效应是非定域的。 这种非定域作用不仅违反直觉～还对爱因斯坦的狭义相 对论造成了严重威胁～甚至撼动了物理学的基础。 自古以来，直觉就告诉我们:要挪动一块石头，一个人必须接触那块石头，或者通过一根棍棒来接触那块石头，又或者发出一道命令，通过空气的震动传到另一个人耳朵里，再由他拿起棍棒来撬动石头。用更概括性的语言来说，物体只能对周边紧紧靠着它的其他物体产生直接作用。如果物体A 和B 没有紧靠在一起，A 对B 产生的作用就必然是间接的——这种作用必然通过一连串首尾衔接的事件，以一种连贯不间断的方式跨越AB 之间的距离，从A 传播到B。我们总以为，自己可以举出一两个违背这一直觉的特例，比方说拨动一个电闸就能点亮整座城市的街灯，通过收音机可以收听BBC 广播等。但每一次刨根问底之后，我们都会发现，这些“特例”其实并没有违背直觉:点亮街灯是因为电子通过电线传播，广播信号则是通过无线电波传送的。在我们的日常经验中，没有任何事情违背这一直觉。我们把这种直觉称为定域性(locality)。量子力学已经颠覆了许多直觉，但没有一种比颠覆定域性影响更为深远。对定域性的颠覆，动 摇了21 世纪物理学的基石——狭义相对论(special relativity)。 异域来客 一个人在中国挥出一拳，直接打破美国另一人的鼻子，而且不惊动一草一木——这种“隔山打牛”的功夫，正是量 子纠缠带来的不可思议之处。 让我们回到量子力学出现之前，或者说回到自然科学研究刚刚起步那会儿。当时的学者们相信，如果我们能够逐一描述构成这个世界的每一个最小、最基本的物质单元，从理论上讲，我们就能完整描述整个物质世界。把物质单元经历的事件加在一起，应该就能描述这个世界里发生的所有一 切。量子力学却违背了这个“信念”。 粒子集合实际可以测量的物理性质，会根据具体情况的不同，或超越其中单个粒子物理性质的总和，或违背各粒子物理性质之和，或完全跟后者没有任何关系。比方说，量子力学允许我们放置一对粒子，使两者的间距恰好等于2 米，而这两个粒子中的任何一个，本身的位置都不确定。更有甚者，量子力学的标准理解方法——也就是上世纪初伟大的丹麦物理学家尼尔斯?玻尔(Niels Bohr)提出并被学术界奉为圭臬的所谓哥本哈根解释(Copenhageninterpretation)——坚持认为，这种不确定不是因为我们不知道单个粒子的确切位置，而是单个粒子根本不存在所谓的“确切位置”。 询问单个粒子的位置，就如同询问5 这个数字是否已婚一样，没有任何意义。这不是一个认知问题(我们知道些什 么)，而是一个存在问题(事实真相是什么)。 物理学家把粒子间这种形式的关联， 称为粒子之间发生了量子力学纠缠(entanglement)。这种相互纠缠的性质不一定非得是位置:两个粒子可以自旋方向恰好相反，但没有哪个粒子的自旋方向是确定的;又或者一堆粒子中恰有一个粒子被激发，但没有哪一个粒子确定就是那个被激发的粒子。不论粒子身处何处，本身是什么粒子，彼此间可能施加了什么作用力，纠缠都可以把它们联系起来——理论上说，分别位于星系两端的一个电子和一个中子都可以完美纠缠在一起。因此，纠缠构成了一种前人根本未曾想过的亲密联 系。 量子纠缠是全新的、极富潜力的量子计算和量子密码学(quantum cryptography)的发展基础，前者能够解决某些超出普通计算机处理能力范围的问题，后者则会实现一种足以杜绝窃听的安全通信能力(参见《环球科学》2008 年第9 期《囚禁离子 实现量子计算》一文)。 不过，量子纠缠似乎还牵涉到一种极其怪异、完全违反直觉的现象。这种现象被称为非定域性(nonlocality)，也就是说多个物体在既不相互接触、也不通过一系列实体从 这里衔接到那里的情况下，仍有可能彼此施加物理影响。非定域性暗示，一个人在中国挥出一拳，有可能直接打破在美国的另一人的鼻子，而不影响除此之外任何地方的任何其他物体(不带动一个空气分子，不移动任何一根电线中的任何 一个电子，也不发出任何一点闪光)。 除了势不可当、与生俱来的不可思议以外，非定域性引起的最大担忧在于，它对我们熟知的狭义相对论构成了严重威胁。过去几年来，这种担忧终于得以步入物理学殿堂，成为严肃思考的课题和学术争论的中心。这样的争论最终可能会瓦解、扭曲、重构、巩固，或者从根本上腐蚀物理学的根 基。 修正“真实” 爱因斯坦看出了量子纠缠“隔山打牛”中隐藏的问题，并亲笔撰文批驳量子力学;玻尔则用何为“真实”的哲学思考加以回应。不过，他们都认为“隔山打牛”只是一种表面 现象。 爱因斯坦对量子力学的许多方面都忧心忡忡，对量子力学随机性的担忧(即已被炒滥的“上帝不会掷骰子”)只是其中之一。不过爱因斯坦唯一一次正式发表反对意见，并亲笔撰文大加抨击的，却是量子纠缠的古怪性质。这一抨击的核心观点现在被称为EPR 佯谬(参见左侧文字框)，是以那 篇论文的三位作者——爱因斯坦(AlbertEinstein)及同事 鲍里斯?波多尔斯基(BorisPodolsky)和内森?罗森(Nathan Rosen)的姓氏首字母缩写命名的。这篇论文发表于1935 年，题为《量子力学对物理真实的描述可以认为是完备的吗,》(Can Quantum-Mechanical Description of Physical RealityBe Considered Complete?)。他们经过缜密推理，用一个“否”字回答了自己提出的问题。他们论证过程的关键一步在于，巧妙运用了量子力学方法(即数学算法)中用来预测实验结果的一条特殊“指令”。假设一个粒子与第二个粒子发生量子纠缠，但就像我们前面提到的那样，没有一个粒子拥有确切位置，然后去测量第一个粒子的位置。很自然，等知道了这次测量的结果，我们就可以改变对第一个粒子的描述，因为现在我们已经知道测量时它出现在哪里。不过，那条“指令”还指示我们可以改变对第二个粒子的描述——而且可以立即改变，不管第二个粒子有多 远，也不管这两个粒子之间隔着什么东西。 在量子力学向物理学家提供的世界图景中，纠缠是一个无可争议的事实。但是在爱因斯坦之前，没有人对这一事实可能带来的深远影响进行过深入思考。爱因斯坦发现，量子纠缠中有些东西不止奇怪，而且大有问题，这让他毛骨悚然。 确切地说，量子纠缠似乎是非定域的。 在那个时候，还没有人能够欣然接受“世界上存在真正的物理非定域性”这种可能——爱因斯坦接受不了，玻尔也接受不了，其他人就更不用说了。爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在他们的论文中理所当然地认为，量子力学表现出来的非定域性必定只是一种表面现象，必然是某种数学计算异常，或者标记方法不当，或者至少是量子力学算法中一个用完即可舍弃的人为辅助项——毫无疑问，应该有人可以不借助任何非定域步骤，“复制”出量子力学对实验结果的预 测。