量子糾纏：哲學如何變成物理學——實在如何變成信息

今年的諾貝爾物理學獎被授予“糾纏光子實驗、證明對貝爾不等式的違反和開創性的量子信息科學”。

要了解這意味着什麼，以及爲什麼這項工作很重要，我們需要了解這些實驗如何解決物理學家之間長期存在的爭論。這場辯論的關鍵人物是一位名叫約翰·貝爾的愛爾蘭物理學家。

在 1960 年代，貝爾想出瞭如何將關於現實/實在本質的哲學問題轉化爲可以由科學回答的物理問題——並在此過程中打破了我們對世界的瞭解與世界的真實面貌之間的區別.

量子糾纏

我們知道，量子物體具有我們通常不會歸因於我們日常生活中的物體的屬性。有時光是波，有時是粒子。我們的冰箱從不這樣做。

當試圖解釋這種不尋常的行爲時，我們可以想象兩種廣泛的解釋。一種可能性是我們清楚地感知到了量子世界，就像它本來的樣子，而它恰好是不尋常的。另一種可能是，量子世界就像我們知道和喜愛的普通世界一樣，只是我們對它的看法是扭曲的，所以我們無法清楚地看到量子現實的本來面目。

在 20 世紀初的幾十年裡，物理學家對於哪種解釋是正確的存在分歧。在那些認爲量子世界不尋常的人中，有維爾納·海森堡和尼爾斯·玻爾等人物。在那些認爲量子世界必須和普通世界一樣，而我們對它的看法簡直是模糊不清的人中，有阿爾伯特·愛因斯坦和歐文·薛定諤。

這種劃分的核心是對量子理論的一個不同尋常的預測。根據該理論，某些相互作用的量子系統的特性仍然相互依賴——即使這些系統已經相距很遠。

1935 年，也就是他設計了他著名的思想實驗，涉及一隻被困在盒子裡的貓，薛定諤爲這種現象創造了“糾纏”一詞。他認爲，相信世界以這種方式運轉是荒謬的。

糾纏的問題

尼爾斯·玻爾（左）和阿爾伯特·愛因斯坦（右） 多年來一直爭論這個世界是否真的像量子力學所暗示的那樣模糊和奇怪。 保羅·埃倫費斯特

如果糾纏的量子系統即使相隔很遠也確實保持連接，那麼它們似乎會以某種方式在瞬間相互通信。但是根據愛因斯坦的相對論，這種聯繫是不允許的。愛因斯坦稱這個想法爲“幽靈般的遠距離行動”。

再次在 1935 年，愛因斯坦和兩位同事設計了一個思想實驗，表明量子力學無法爲我們提供有關糾纏的全部故事。他們認爲世界上肯定還有一些我們還看不到的東西。

但隨着時間的推移，如何解釋量子理論的問題成爲了一個學術註腳。這個問題似乎太哲學化了，在 1940 年代，許多量子物理學最聰明的人都忙於將這個理論用於一個非常實際的項目：製造原子彈。

直到 1960 年代，當愛爾蘭物理學家約翰·貝爾將注意力轉向糾纏問題時，科學界才意識到這個看似哲學的問題可以有一個切實的答案。

貝爾定理

貝爾使用一個簡單的糾纏系統擴展了愛因斯坦 1935 年的思想實驗。他表明，量子描述不可能是不完整的，同時禁止“遠處的幽靈行動”並且仍然與量子理論的預測相匹配。

約翰·貝爾在瑞士歐洲核子研究中心的辦公室裡。歐洲核子研究組織

對愛因斯坦來說，這似乎不是什麼好消息。但這對他的對手來說並不是立竿見影的勝利。

這是因爲在 1960 年代，量子理論的預測是否確實正確並不明顯。爲了真正證明貝爾的觀點，必須有人將這種關於現實的哲學論證轉化爲真實的物理系統，進行實驗測試。

當然，這也是今年兩位諾貝爾獎得主進入故事的地方。首先是John Clauser，然後是Alain Aspect，對貝爾提出的系統進行了實驗，最終證明了量子力學的預測是準確的。因此，除非我們接受“遠處的幽靈行動”，否則無法進一步說明可以描述觀察到的量子世界的糾纏量子系統。

那麼，愛因斯坦錯了嗎？

這或許令人驚訝，但量子理論的這些進步似乎表明愛因斯坦在這一點上是錯誤的。也就是說，我們似乎對與我們的普通世界一樣的量子世界沒有模糊的看法。

但是，我們清楚地感知到一個本質上不尋常的量子世界的想法同樣過於簡單化。這提供了量子物理學這一集的關鍵哲學課程之一。

不再清楚我們能否合理地談論超出我們對它的科學描述的量子世界——也就是說，超出我們所擁有的關於它的信息。

正如今年第三位諾貝爾獎獲得者安東·蔡林格所說：

這種區別，我們通常認爲是我們對世界的普通圖景的基礎，現在已經無法挽回地模糊了。我們要感謝約翰·貝爾。