愛(ài)因斯坦錯(cuò)了嗎？

苗千

在愛(ài)因斯坦的頭腦里，制定日月星辰運(yùn)行規(guī)律的上帝一定是一個(gè)有花白頭發(fā)的老人，他經(jīng)常稱之為“老頭子”。

這當(dāng)然不是某種真實(shí)存在的人格化的神明，在愛(ài)因斯坦的心目中，上帝指的是斯賓諾莎的上帝，是自然規(guī)律的化身。多次明確表示過(guò)自己無(wú)神論者身份的愛(ài)因斯坦和當(dāng)時(shí)大多數(shù)的歐洲人一樣，習(xí)慣把“上帝”掛在嘴邊，其中最有名的一句，或許就是：“上帝不是在擲骰子。”——這句話在很大程度上表達(dá)了愛(ài)因斯坦對(duì)于量子力學(xué)的態(tài)度。

最近，一篇尚未通過(guò)同行評(píng)審正式發(fā)表的論文使愛(ài)因斯坦又一次上了許多科學(xué)媒體的頭條，這有關(guān)量子力學(xué)的本質(zhì)，也有關(guān)愛(ài)因斯坦對(duì)于量子力學(xué)的態(tài)度。長(zhǎng)久以來(lái)，這位相對(duì)論的發(fā)現(xiàn)者一直是以反對(duì)量子力學(xué)的形象出現(xiàn)的，他堅(jiān)持認(rèn)為量子力學(xué)有其自身的不完備性。而這篇論文利用一個(gè)漂亮的實(shí)驗(yàn)證明了量子力學(xué)中或許是最令人迷惑的現(xiàn)象——量子糾纏現(xiàn)象——恰恰存在著最令愛(ài)因斯坦感到困惑的“鬼魅般的超距作用”，這是量子力學(xué)的又一次勝利。

荷蘭代爾夫特科技大學(xué)的物理學(xué)家羅納德·漢森（右一）和他的研究小組成員

但是，愛(ài)因斯坦真的錯(cuò)了嗎？

2015年8月24日，荷蘭代爾夫特科技大學(xué)的物理學(xué)家羅納德·漢森（Ronald Hanson）與合作者們共同在網(wǎng)上提交了一篇論文《利用相隔1.3公里的電子自旋糾纏無(wú)漏洞實(shí)驗(yàn)對(duì)貝爾不等式的破壞》（Experimental loophole-free violation of a Bell inequality using entangled electron spins separated by 1.3km）。這篇論文迅速吸引了物理學(xué)界，進(jìn)而是世界媒體的關(guān)注，《自然》（Nature）雜志更是針對(duì)這篇論文專門撰寫了一篇介紹性的文章。

量子糾纏現(xiàn)象是量子力學(xué)中最核心也最令人難以理解的現(xiàn)象，不同物體的某種性質(zhì)之間一旦形成某種“糾纏態(tài)”，那么它們之間無(wú)論相隔多遠(yuǎn)都會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的相互影響，這種瞬時(shí)作用顯然違反了相對(duì)論（相對(duì)論描述宇宙中最快的速度是光速），因?yàn)槿绱耍瑦?ài)因斯坦認(rèn)為量子糾纏現(xiàn)象證明了量子力學(xué)的不完備性。

20世紀(jì)60年代，愛(ài)爾蘭物理學(xué)家約翰·貝爾（John Bell）提出了著名的“貝爾不等式”，這個(gè)不等式成為判定愛(ài)因斯坦所主張的“定域隱變量理論”與量子力學(xué)非定域性孰是孰非的關(guān)鍵。從1981年開(kāi)始，不斷有物理學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證貝爾不等式，每一次都是量子力學(xué)的非定域性取得勝利，看來(lái)，量子糾纏確實(shí)是一種超距作用。盡管如此，因?yàn)榱孔蛹m纏實(shí)驗(yàn)對(duì)于精度要求很高，每次實(shí)驗(yàn)總會(huì)存在一些漏洞，為定域隱變量理論留有一絲余地。

羅納德·漢森與合作者們最近在荷蘭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他們利用微波脈沖分別沖擊兩個(gè)相隔1.3公里遠(yuǎn)的鉆石晶體中的電子以形成糾纏態(tài)，然后再使這兩束微波脈沖的光子在中點(diǎn)相遇，讓光子之間形成量子糾纏，這樣相隔1.3公里的兩個(gè)鉆石中的電子也就形成了相互糾纏。之后，實(shí)驗(yàn)者再對(duì)相隔1.3公里遠(yuǎn)的兩處的電子進(jìn)行測(cè)量。如果這兩地之間存在著某種通訊，即使是以光速傳播，也需要4.27微秒的時(shí)間，而測(cè)量只需要3.7微秒，從而杜絕了兩地之間進(jìn)行通訊的可能，實(shí)現(xiàn)了世界上首次無(wú)漏洞的量子糾纏實(shí)驗(yàn)，而這次實(shí)驗(yàn)，又一次實(shí)現(xiàn)了貝爾不等式的破壞，證明了量子力學(xué)非定域性的勝利。

盡管大多數(shù)物理學(xué)家在此前都預(yù)料到了這個(gè)結(jié)果，人們?nèi)詫?duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)給予了極高的評(píng)價(jià)，維也納大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）認(rèn)為這是一個(gè)非常優(yōu)美的實(shí)驗(yàn)，他說(shuō)：“定域性的觀念植入在人們的日常思維中，甚至連物理學(xué)家也是如此，因此進(jìn)行一個(gè)無(wú)漏洞的（量子力學(xué)非定域性）實(shí)驗(yàn)非常重要。”滑鐵盧理論物理研究所的物理學(xué)家馬修·萊費(fèi)爾（Matthew Leifer）甚至認(rèn)為這是一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)毫無(wú)疑問(wèn)地證明，處于糾纏態(tài)的粒子之間，確實(shí)存在著非定域性的瞬時(shí)作用。那么，愛(ài)因斯坦錯(cuò)了嗎？可以說(shuō)，愛(ài)因斯坦對(duì)于量子糾纏的判斷確實(shí)錯(cuò)了，目前從現(xiàn)象上來(lái)說(shuō)，量子糾纏確實(shí)違反了相對(duì)論，并不存在愛(ài)因斯坦所假設(shè)的“隱變量”，但是愛(ài)因斯坦對(duì)于量子力學(xué)完備性的質(zhì)疑，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)恐怕仍然無(wú)法解決，并且會(huì)一直激勵(lì)著物理學(xué)家們進(jìn)行探索。

作為量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一，愛(ài)因斯坦并不反對(duì)量子力學(xué)。實(shí)際上，愛(ài)因斯坦從未堅(jiān)持物理學(xué)的決定性，他對(duì)于量子力學(xué)非決定性的理解遠(yuǎn)比一般人更加激進(jìn)。問(wèn)題在于，愛(ài)因斯坦始終堅(jiān)持認(rèn)為，量子力學(xué)是不完備的，在量子力學(xué)之下，還隱藏著更加深刻的物理學(xué)原理，才使量子世界呈現(xiàn)出概率性。

值得注意的是，雖然量子現(xiàn)象是概率性的，但量子理論卻是決定性的，薛定諤方程正是精確的以確定性的方式描述波函數(shù)的演化。而一個(gè)量子領(lǐng)域的粒子在測(cè)量中呈現(xiàn)出何種狀態(tài)，則取決于波函數(shù)的“塌縮”（collapse），這正是尼爾斯·波爾（Niels Bohr）為首的哥本哈根學(xué)派所闡述的量子力學(xué)的重點(diǎn)，也正是愛(ài)因斯坦最不能同意，并與波爾爭(zhēng)論了半生的焦點(diǎn)問(wèn)題，“上帝不是在擲骰子”這句話，正是出自這樣的語(yǔ)境中。愛(ài)因斯坦并不反對(duì)量子力學(xué)，但是他完全反對(duì)哥本哈根學(xué)派對(duì)于量子力學(xué)的解讀。

無(wú)論是提出了波函數(shù)概念的埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrodinger）還是奠定了量子力學(xué)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的維爾納·海森堡（Werner Heisenberg），都始終沒(méi)有承認(rèn)波函數(shù)在量子力學(xué)中的核心地位，但波函數(shù)以及波函數(shù)塌縮的概念因?yàn)榕c實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相吻合，隨著哥本哈根學(xué)派的興盛，逐漸成為物理學(xué)界的主流觀點(diǎn)，而問(wèn)題從未消失：波函數(shù)究竟是什么？是一種純粹用于計(jì)算的數(shù)學(xué)概念還是一種切實(shí)的存在？它以怎樣的形式存在，而當(dāng)人類對(duì)一個(gè)量子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，波函數(shù)又是如何發(fā)生了瞬時(shí)塌縮，它為什么可以違反相對(duì)論對(duì)于速度極限的束縛？測(cè)量的本質(zhì)又是什么？量子力學(xué)是否只是對(duì)于量子現(xiàn)象的描述性的理論，是否存在更深刻的理論可以解釋量子力學(xué)？可以說(shuō)，在這些最基本也是最深刻的問(wèn)題被解答之前，愛(ài)因斯坦與波爾的爭(zhēng)論就仍然沒(méi)有結(jié)束。

（本文寫作參考了《自然》雜志和《科學(xué)美國(guó)人》雜志的報(bào)道）