量子力學(xué)哥本哈根學(xué)派掌門(mén)人 —— 尼爾斯?玻爾（Niels Bohr）曾多次說(shuō)過(guò)：“如果量子力學(xué)還沒(méi)有深刻地震撼你，那你就還沒(méi)有弄懂它。”
由于與日常生活相差甚遠(yuǎn)，許多量子現(xiàn)象不可思議：電子的量子躍遷、不確定性測(cè)量關(guān)系、電子的多重態(tài)、薛定諤貓、惠勒貓等，這些奇異現(xiàn)象不僅普通人不懂，有時(shí)就連大科學(xué)家，如愛(ài)因斯坦和量子力學(xué)創(chuàng)始人之一埃爾溫?薛定諤也曾被“繞”進(jìn)去。以上這些還不算完，還有一個(gè)可以稱(chēng)為“奇異中更奇異”的現(xiàn)象，這就是“量子糾纏”，愛(ài)因斯坦去世前還對(duì)此耿耿于懷，因?yàn)樗麤](méi)有接受它。
“糾纏”（entanglement）這個(gè)詞，似乎暗示著 “陷入某種困境”或“麻煩”?！傲孔蛹m纏”現(xiàn)象就給科學(xué)界造成“大麻煩”。1935 年，薛定諤在《劍橋哲學(xué)學(xué)會(huì)年報(bào)》的一篇文章中首次把“量子糾纏”引入到物理學(xué)中來(lái)。他這一行為把事情鬧得很大，首先，愛(ài)因斯坦借這個(gè)茬再次找量子力學(xué)的麻煩。本來(lái)“量子糾纏”（quantum entanglement）是量子力學(xué)中的一個(gè)必然推論，愛(ài)因斯坦卻認(rèn)為這是闖入物理學(xué)中的“幽靈”，直接挑戰(zhàn)他的“局域性”原則，又撼動(dòng)他的相對(duì)論理論。
愛(ài)因斯坦竭盡全力捍衛(wèi)的“局域性”是指：任何兩個(gè)不在一個(gè)地方的事物要想用信號(hào)彼此聯(lián)系，最快的信息傳遞也不能超過(guò)光速。也就是說(shuō)，兩地不能“隔空地、即時(shí)地”聯(lián)系。例如，兩人談話時(shí)，說(shuō)話聲音通過(guò)聲波傳送，而聲波的傳送過(guò)程是需要時(shí)間的，比如，觀看電視時(shí)，畫(huà)面信息通過(guò)光波傳播，即使光傳送得最快，也是須花費(fèi)時(shí)間的。任何事物都要遵守這個(gè)“局域性”約束。
一般人會(huì)認(rèn)為愛(ài)因斯坦是對(duì)的，“局域性”原則毋庸置疑。正是堅(jiān)信“局域性”，愛(ài)因斯坦把“光以有限速度傳播”放入他的相對(duì)論原理當(dāng)中，如果撼動(dòng)“局域性”，就等于撼動(dòng)“相對(duì)論大廈”的根基。此外，愛(ài)因斯坦還堅(jiān)信，任何事物都要受到因果關(guān)系制約，也就是事物發(fā)生的原因在前，造成的后果在其后。但是，在 1978 年他的同事約翰?惠勒通過(guò)一個(gè)假想的“延遲選擇實(shí)驗(yàn)”，就把因果關(guān)系完全顛覆。這個(gè)假想實(shí)驗(yàn)陸續(xù)由多個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，“延遲選擇實(shí)驗(yàn)”證明，量子現(xiàn)象的奇異性無(wú)邊無(wú)際。
盡管愛(ài)因斯坦沖破了牛頓的經(jīng)典時(shí)空觀，盡管他是量子論的總鼻祖，但隨后量子力學(xué)的諸多發(fā)展，還是與他的經(jīng)典觀念發(fā)生不可避免的沖突。正是出于觀念上的根本原因，愛(ài)因斯坦養(yǎng)成了嘲笑玻爾的習(xí)慣，在 1927 年和 1930 年召開(kāi)的兩屆索爾維物理學(xué)大會(huì)上，他兩度對(duì)玻爾發(fā)起挑戰(zhàn)，但兩次都以他失算告終。
兩次失利之后，愛(ài)因斯坦知道哥本哈根的這個(gè)對(duì)手不好惹，他改變策略，不再向玻爾隨隨便便地提出什么夢(mèng)魘般的問(wèn)題，他集合兩個(gè)合作者，即波利斯?波多爾斯基和內(nèi)森?羅森，撰寫(xiě)一篇論文，公開(kāi)就“量子糾纏”進(jìn)行質(zhì)疑。1935 年 5 月 15 日，這篇論文發(fā)表在《物理評(píng)論》上，題目是“量子力學(xué)對(duì)物理實(shí)在性的描述是完備的嗎？”論文來(lái)自三位作者，以他們的姓氏第一個(gè)字母打頭，成為量子力學(xué)發(fā)展史上著名的 EPR 質(zhì)疑，又稱(chēng)為 EPR 佯謬，質(zhì)疑的主要目標(biāo)之一就是“量子糾纏態(tài)”。
第五屆索爾維大會(huì)以后的十多年來(lái)，愛(ài)因斯坦一直讓玻爾感到不安，EPR 這篇論文猶如一顆重型炮彈，把玻爾和他的哥本哈根學(xué)派同伙逼到無(wú)路可逃的境地，他們嚴(yán)陣以待、急謀對(duì)策。EPR 帶有強(qiáng)烈的哲學(xué)意味，加之涉及的話題又非常奇異和艱澀，一般人很難看懂。但玻爾心里清楚，論文直指“量子糾纏”而來(lái)。
EPR 提出一個(gè)極為不可思議的假想實(shí)驗(yàn)。他們?cè)O(shè)想，把一個(gè)粒子分成“兩半”，例如一個(gè)光子分裂成一對(duì)正負(fù)電子，由于在出生時(shí)，它們沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，這兩個(gè)電子將永遠(yuǎn)處于動(dòng)量相互抵消之中，這個(gè)體系不可能莫名其妙地產(chǎn)生額外的動(dòng)量。當(dāng)一個(gè)電子向一個(gè)方向飛射出去，另一個(gè)電子就會(huì)朝相反方向飛射出去；當(dāng)一個(gè)電子沿順時(shí)針?lè)较蜃孕?，另一個(gè)電子就會(huì)沿反時(shí)針?lè)较蜃孕?。它們就是這樣處于“糾纏態(tài)”之中。
這個(gè)例子告訴我們一件很有意思的事，如果知道一個(gè)粒子的信息，就可以立刻知道另一個(gè)粒子的信息。例如：一旦測(cè)定一個(gè)粒子的位置，就可以立刻得知另一個(gè)粒子的位置；一旦測(cè)定一個(gè)粒子的動(dòng)量，就可以立刻得知另一個(gè)粒子的動(dòng)量，無(wú)論它們離開(kāi)有多么遠(yuǎn)，哪怕是幾光年的距離也無(wú)妨。
表面看來(lái)似乎這里面沒(méi)有什么別的事，但如果深挖，就會(huì)出現(xiàn)咄咄怪事。在這里要注意，微觀粒子與普通生活中見(jiàn)到的小球不同，它們涉及“多重態(tài)的疊加”，也就是，在我們沒(méi)有測(cè)量之前，它們總是處于各種可能的“各種可能狀態(tài)”的疊加之中，除非我們?nèi)y(cè)量它，它就會(huì)立刻“坍縮”到“某一個(gè)狀態(tài)”之下，例如具有某種動(dòng)量值?，F(xiàn)在的關(guān)鍵問(wèn)題來(lái)了，當(dāng)我們測(cè)量第一個(gè)粒子動(dòng)量時(shí)，第二個(gè)粒子是怎么“知道”自己的動(dòng)量該“坍縮”到什么樣子的呢？是什么原因使它跳到這個(gè)狀態(tài)上去的呢？難道它所獲得的信息是“隔空地、即時(shí)地”傳遞過(guò)來(lái)的嗎？在這個(gè)挑戰(zhàn)性的 EPR 質(zhì)疑中，愛(ài)因斯坦提出“局域性”的詰難。它使得人們要么接受愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)，哥本哈根的量子力學(xué)存在缺陷，量子力學(xué)將從這里打開(kāi)缺口，陷入危機(jī)；要么愛(ài)因斯坦的“局域性”被瓦解，這就破壞了相對(duì)論的根基。
為了挽回?cái)【郑Χㄖ@曾提出一個(gè)變通的辦法。他認(rèn)為，“糾纏”只出現(xiàn)在非常短的距離內(nèi)，這樣，和使粒子“坍縮”的測(cè)量時(shí)間相比，光從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的時(shí)間可以完全忽略不計(jì)。但是，他的這一假設(shè)仍然沒(méi)有挽回?cái)【?。而作為哥本哈根一方，?duì) EPR 的詰難，也沒(méi)有招架之力，就連玻爾本人最終也不得不承認(rèn)，他“對(duì)愛(ài)因斯坦等人的 EPR 理論的反駁是軟弱無(wú)力的”。
爭(zhēng)論的雙方都沒(méi)有想到，不到幾年工夫，量子遙傳實(shí)驗(yàn)徹底擊敗了愛(ài)因斯坦，量子力學(xué)第一代和第二代之爭(zhēng)從此落幕，這一領(lǐng)域的發(fā)展任務(wù)已經(jīng)落到第三代人的肩上。
從 20 世紀(jì) 50 年代開(kāi)始，物理學(xué)進(jìn)入發(fā)展的“白銀時(shí)代”，惠勒的“延遲選擇實(shí)驗(yàn)”及貝爾的“不等式定理”，相當(dāng)于兩把“金鑰匙”，它們打開(kāi)了量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的大門(mén)。從此，以 “疊加態(tài)”和“糾纏態(tài)”為中心，掀起量子力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)研究的新高潮?；堇铡⒅Z依曼、費(fèi)曼、玻姆、貝爾、阿斯佩、克勞瑟等量子力學(xué)第三代大師陸續(xù)登場(chǎng)，他們的研究成果不僅在理論上深化和擴(kuò)展對(duì)量子力學(xué)理論的詮釋?zhuān)€把對(duì)量子理論的探討范圍從微觀領(lǐng)域拓寬到大尺度的宇宙，更把這一研究推進(jìn)到哲學(xué)高度，從對(duì)“量子真實(shí)”的探討擴(kuò)展到“物理真實(shí)”，以致深入到人們對(duì)“這個(gè)世界究竟是什么”及究竟“能對(duì)這個(gè)世界說(shuō)些什么”等一系列哲學(xué)根本問(wèn)題的認(rèn)識(shí)上來(lái)。
在實(shí)驗(yàn)上，更把量子力學(xué)研究從原來(lái)的“軟件”尺度，即以數(shù)學(xué)推演、思考、思辨及對(duì)話研究為主，推向“硬件”尺度的大規(guī)模實(shí)驗(yàn)研究與技術(shù)應(yīng)用上來(lái)。事后的發(fā)展證明，量子力學(xué)是 20 世紀(jì)饋贈(zèng)給 21 世紀(jì)的一份彌足珍貴的厚禮。
1928 年 7 月 28 日，約翰?貝爾（John Bell）出生在北愛(ài)爾蘭的貝爾法斯特。少年貝爾極具天賦，他喜好讀書(shū)，幾乎無(wú)所不知如一部“百科全書(shū)”，同學(xué)們戲稱(chēng)他“教授”。由于家境貧寒，其他兄弟姐妹很早就輟學(xué)謀生，唯獨(dú)貝爾受教育的時(shí)間最長(zhǎng)。進(jìn)入 20 世紀(jì) 50 年代，貝爾通過(guò)自學(xué)通曉量子力學(xué)和粒子物理，但為了減輕家庭負(fù)擔(dān)，他從貝爾法斯特皇后大學(xué)畢業(yè)后，不得不在英國(guó)原子能研究所找到一份薪水微薄的工作。
1960 是貝爾人生轉(zhuǎn)折的一年，他與妻子一起受聘到日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心（CERN）。在這里，貝爾的工作方向是粒子物理，白天他做分內(nèi)的工作，有時(shí)加班很晚，回到家中，在夜深人靜時(shí)，把時(shí)間花在喜愛(ài)的量子理論，尤其是他迷上的量子“多重態(tài)”與“糾纏態(tài)”的理論研究。他自己也沒(méi)有料到，正是這個(gè)業(yè)余愛(ài)好，使他后來(lái)一舉成名。
貝爾常利用休年假的機(jī)會(huì)，帶著研究中的問(wèn)題來(lái)到斯坦福大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)和布蘭迪斯大學(xué)訪問(wèn)。1964 年，在《物理學(xué)》雜志上，他發(fā)表了一篇題為“EPR 佯謬研究”（On the Einstein Podolsky Rosen paradox）的論文。在這篇論文里，貝爾首先假定愛(ài)因斯坦的“局域性”原理成立，然后就 EPR 提出的條件，推導(dǎo)出一個(gè)重要的結(jié)果，這就是著名的貝爾不等式。
貝爾不等式相當(dāng)于給出一個(gè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，如果任何實(shí)驗(yàn)證實(shí)這個(gè)不等式成立，就說(shuō)明愛(ài)因斯坦所堅(jiān)持的“局域性”是成立的。在論文中，貝爾還提出一個(gè)以光子的偏振態(tài)來(lái)證實(shí)糾纏現(xiàn)象的假想實(shí)驗(yàn)。貝爾為量子糾纏態(tài)的神秘現(xiàn)象確立一個(gè)現(xiàn)實(shí)的研究方向，由此一躍進(jìn)入物理學(xué)前沿，成為量子糾纏研究的關(guān)鍵人物。
自貝爾之后，很多物理學(xué)家利用各種實(shí)驗(yàn)試圖證實(shí)貝爾不等式，但所有至今完成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，都違背貝爾不等式，因此都證明愛(ài)因斯坦所一再?gòu)?qiáng)調(diào)的“局域性”是不存在的，這些實(shí)驗(yàn)推動(dòng)量子糾纏態(tài)的研究取得巨大成功，其中值得一提的是阿蘭?阿斯佩（Alain Aspect）的工作，他的成果不僅是眾多研究中最為優(yōu)秀的一個(gè)，所揭示的問(wèn)題也更深刻，同時(shí)影響更深遠(yuǎn)。
在歐洲，阿斯佩被物理學(xué)界公認(rèn)為是對(duì)貝爾理論理解最深入的人。他不僅成功地實(shí)現(xiàn)惠勒的“延遲選擇實(shí)驗(yàn)”，他所領(lǐng)導(dǎo)的研究組在量子糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究中也做出最為卓越的貢獻(xiàn)。
阿斯佩仔細(xì)研究 EPR 假想實(shí)驗(yàn)的每一步。他認(rèn)為，如果能做成一個(gè)實(shí)驗(yàn)，設(shè)法阻止兩個(gè)糾纏粒子之間有“即時(shí)信號(hào)”聯(lián)系，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這兩個(gè)糾纏粒子仍在聯(lián)系時(shí)，就證明愛(ài)因斯坦的“局域性”不再成立。有這個(gè)想法的時(shí)候阿斯佩年僅 27 歲，正在巴黎大學(xué)的奧爾賽讀研究生。他決定以這個(gè)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)撰寫(xiě)他的博士學(xué)位論文。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想，他親自跑到日內(nèi)瓦找到了貝爾。貝爾問(wèn)他：“你現(xiàn)在有沒(méi)有固定的工作職位？”當(dāng)貝爾得知，這個(gè)年輕小伙子連學(xué)位也沒(méi)有拿到時(shí)，不由替他擔(dān)心起來(lái)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅難度極高，要求的靈敏度也極大，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想更不能有任何瑕疵。他對(duì)阿斯佩說(shuō)：“你一定是一個(gè)相當(dāng)有勇氣的年輕人！”說(shuō)完這句話，貝爾把后面要說(shuō)的話咽了回去，他想警告阿斯佩，這件事肯定會(huì)毀了他的前程。
阿斯佩設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)的確非常漂亮，然而實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度確實(shí)極高，又獨(dú)具風(fēng)險(xiǎn)。為了有足夠長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)通道，他和同伙選擇在巴黎大學(xué)的地下室進(jìn)行。從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、清理實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所到準(zhǔn)備器材，所花的時(shí)間比預(yù)期要長(zhǎng)得多。他們選擇激光器、計(jì)算機(jī)、偏振器和光信號(hào)靈敏開(kāi)關(guān)后，一次次地反復(fù)調(diào)試，直到 1982 年初才開(kāi)始進(jìn)行正式的實(shí)驗(yàn)，最后終于在 1982 年 6 月 22 日這一天獲得了成功。
阿斯佩使用的是鈣光源 S。把鈣原子激發(fā)到一個(gè)很高的能態(tài)后，在它回到一個(gè)低能態(tài)做單次躍遷時(shí)，同時(shí)釋放出一對(duì)反向運(yùn)動(dòng)的光子，這兩個(gè)光子呈現(xiàn)偏振關(guān)聯(lián)的糾纏態(tài)。他們同時(shí)設(shè)法使兩個(gè)偏振器 P 的偏振方向也呈現(xiàn)某種關(guān)聯(lián)，如果兩個(gè)光子真是呈現(xiàn)偏振關(guān)聯(lián)，沿著一個(gè)方向行進(jìn)的光子通過(guò)偏振器時(shí)，另一個(gè)方向的光子也一定也同時(shí)通過(guò)另一個(gè)偏振器，也就是說(shuō)，兩個(gè)光子要么全通過(guò)，要么就全不通過(guò)。為了防止兩個(gè)光子彼此發(fā)生這種關(guān)聯(lián)態(tài)間的信號(hào)聯(lián)系，需要加大兩個(gè)偏振器 P 間的距離，這是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)。在巴黎大學(xué)的地下實(shí)驗(yàn)室，他們使偏振器 P 與光源 S 的距離增加到了 6 米，在兩個(gè)光子分別到達(dá)偏振器的那一刻，它們要想發(fā)生信號(hào)聯(lián)系，最快的光信號(hào)至少需要 40 納秒，即四十億分之一秒，然而在它們之間距離超過(guò) 12 米的情況下，即使它們用光信號(hào)，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)也是不可能發(fā)生聯(lián)系的。為了控制入射的是單個(gè)光子，還得再裝設(shè)一個(gè)開(kāi)關(guān)，允許在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，一次只允許一個(gè)光子進(jìn)入。
為了驗(yàn)證愛(ài)因斯坦對(duì)量子力學(xué)理論“非局域性”挑戰(zhàn)正確與否，他們把兩個(gè)偏振片之間的距離增加到 13 米，此外又采用聲光調(diào)制器控制的量子開(kāi)關(guān)，使偏振片可以迅速地移入或移出，其中的時(shí)間間隔恰好是光傳輸這 13 米的時(shí)間，即 43 納秒。阿斯佩設(shè)計(jì)量子開(kāi)關(guān)時(shí)間是 6.7 到 13.3 納秒，這樣就排除了兩個(gè)光子在進(jìn)入開(kāi)關(guān)前有相互聯(lián)系的情形。
隨后，為了進(jìn)一步消除實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差，他們又進(jìn)行改進(jìn)，采用光子雙通道的方案，使光子先經(jīng)過(guò)一道閘門(mén) K，然后再進(jìn)入偏振片，K 可以改變光子的方向，引導(dǎo)它去向兩個(gè)不同的方向。最后把四個(gè)通道的測(cè)量數(shù)據(jù)匯總到監(jiān)測(cè)器 D 中進(jìn)行復(fù)核處理。這一實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)表在當(dāng)年 12 月 20 日的《物理評(píng)論快報(bào)》上。
阿斯佩實(shí)驗(yàn)組的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想之精巧，器材配合之精良堪稱(chēng)一絕，同業(yè)人無(wú)不贊嘆。最后，他的結(jié)果以非常高的精度證實(shí)兩個(gè)糾纏粒子狀態(tài)間的關(guān)聯(lián)是不需要時(shí)間的，量子力學(xué)規(guī)律是“非局域性”的，這一結(jié)果非常驚人。1983 年，在阿斯佩的博士論文答辯會(huì)上，貝爾親自到場(chǎng)，考察阿斯佩的實(shí)驗(yàn)，對(duì)他的這一成果贊嘆不止，稱(chēng)之為“具備諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)水平的最優(yōu)秀論文”。
阿斯佩研究組的這一成功具有很特殊的意義。它不僅毋庸置疑地證實(shí)量子力學(xué)的“非局域性”，實(shí)驗(yàn)本身也具有開(kāi)創(chuàng)性，使巴黎大學(xué)在以后十幾年中始終成為量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的中心。多年以后，當(dāng)阿斯佩回憶起他們?cè)?20 世紀(jì) 80 年代所完成的這一系列實(shí)驗(yàn)時(shí)，不無(wú)自豪地說(shuō)：“在那一時(shí)期，‘我們所做的這些事意味著什么’還不被人所熟知，但是我們的工作引起了人們的注意，這是使我們感到自豪的事?！?/p>
在阿斯佩實(shí)驗(yàn)成功的鼓舞下，從 20 世紀(jì) 80 年代起，世界各地的糾纏態(tài)實(shí)驗(yàn)如雨后春筍般地發(fā)展起來(lái)，這為量子力學(xué)的基礎(chǔ)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：原點(diǎn)閱讀 （ID：tupydread），作者：魏鳳文 武軼
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