量子纠缠的故事:从恶梦到美梦

爱因斯坦与波耳这两位诺贝尔奖得主,在 1930 年代针对“量子纠缠”这个怪象的论战,使得这个领域有二三十年的时间,无法建构起一个系统化的研究框架。直到 1960 年代贝尔提出不等式定理,并且获得实验证明之后,量子力学才总算拨云见日,在物理学各个重要领域里大开大展。本讲次为听众整理这段量子力学发展的坎坷之路,并点出科学研究突破瓶颈的关键所在。

量子纠缠的相关争论,可以追溯到汤玛斯.杨 (Thomas Young) 的双狭缝干涉实验;用现代的马赫-曾德尔干涉仪 (Mach-Zehnder interferometer) ,也会做出相同的结果。这个实验的意涵是,你若把光看成是一种波,它在通过两条狭缝时会相互干涉,在探测屏上显现出亮纹跟暗纹;倘若把光看成是一种粒子,它只能在两条狭缝里选择一条行进。理论上光子各走各的,关闭其中一条狭缝,应该不会影响到走另一条狭缝的光子;然而实验结果却并非如此,当两条狭缝都开放时,探测屏上仍然会出现亮纹跟暗纹。波耳领导的哥本哈根学派,接受光子具有如此怪异的量子特质,称之为“波粒二象性” (wave-particle duality) 。

爱因斯坦并不接受这个有点滑头,“它有时像波,有时像粒子”的说法,他在 1935 年发表了大名鼎鼎的 EPR 悖论 (Einstein-Podolsky-Rosen paradox) ,驳斥量子怪象这套说法。爱因斯坦认为即使不用到量子力学,也能解释不为人知的隐藏变量,控制机率分布的现象;因此量子力学虽然称不上错误,但是完备性却令人质疑。有趣的是这篇论文只有短短四页,但是林丰利老师每次拜读都看不懂,直到有一天才恍然大悟:那是因为爱因斯坦虽然质疑量子力学,但他却用量子力学的语言进行推论,对于量子力学内容已经很熟悉的读者,很自然地会顺着量子力学的逻辑,试图理解这篇论文;到最后爱因斯坦推翻量子力学的论述时,读者就会突然搞不懂他在说什么。

EPR 悖论所说的,就是后来被薛丁格称之为“量子纠缠”,两个粒子的量子态“无法分离”的现象。然而 EPR 悖论的主张却必须用到一个在哲学上模拟两可,听起来比波粒二象性还要来得奇怪的“定域实在论” (local realism) ,再加上以当时的技术,还无法操纵少数几个量子,根本无法进行实验,因此除了戴维.玻姆 (David Bohm) 等少数几位物理学家以外,当时的主流物理学界,可以说没有人认真看待量子纠缠这套理论。