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EPR實驗

1935年5月,愛因斯坦同美國兩位年輕的物理學家波多爾斯基和羅森在美國第47期《物理評論》雜誌上,發表了題為《能認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎?》的論文,在物理學界、哲學界引起了巨大反響。

這篇論文提出了一個名垂千古的思維實驗,以論文的三位聯合作者的首字母命名,稱為「EPR實驗」。正如這篇論文的標題所表達的意思那樣,愛因斯坦想用這個思維實驗告訴物理界,哥本哈根的量子力學解釋是有問題的。這個實驗簡單說來是這樣的(注意,我在這裡把它通俗化了,略去了很多術語和數學公式,但是精髓大差不差):

想像一下,如果有一個基本粒子在空中飛著,突然,在某一時刻因為某種外力一分為二,分裂成了兩個更小一點的A粒子和B粒子,於是A、B兩個粒子就分開了,而且越飛分開得越遠。當它們分開得足夠遠的時候,我們去觀測A粒子的「自旋」(基本粒子都有自旋的特性),我們可以確定其自旋的方式。此時,根據大家都公認的某個守恆公式,我們可以知道,A粒子如果是「左旋」的,那麼B粒子必定是「右旋」的,否則就會違反守恆,而違反守恆是不可想像的。那麼我想請問玻爾先生,如果量子的運動按你們的所謂「不確定原理」講的,在我們觀測A粒子之前,是不確定的,那麼A粒子的自旋方式一旦確定是「左旋」的時候,B粒子是怎麼知道自己必須是「右旋」的呢?它們之間難道會有超光速的信號在通訊嗎?還是說,你要用神秘主義的語氣告訴我,說兩個量子之間存在某種「心靈感應」呢?不能自圓其說了吧,傻眼了吧?讓我來告訴你吧,唯一的可能性就是,這個基本粒子在分裂的那一剎那,A、B粒子的自旋方向就是已經確定了的,不管我們觀測到A粒子是左旋還是右旋,這個觀測行為並不會影響到A、B粒子早就已經確定了的自旋方向。玻爾先生,如果你想證明你的不確定性原理是正確的,請先幫我把超光速這個事情解釋清楚吧,請先推翻我的狹義相對論吧。

大家要知道,在講出上面這番話的時候,已經是狹義相對論發現20年後了,狹義相對論已經得到了無數嚴苛實驗的驗證,是久經考驗的堅強戰士,沒有人再懷疑它的正確性。玻爾在聽到這個EPR實驗之後確實大吃一驚,據說茶飯不思好多天。隔了幾個月後他終於出聲了,居然以同樣的標題寫了一篇論文,來回應愛因斯坦們的挑戰。簡單說來(抱歉我只能「簡單說來」,複雜了我也說不來),玻爾說狹義相對論我是不反對的,但是這裡面的關鍵問題在於,粒子A和粒子B在你愛因斯坦看來是不同的兩個粒子,但是在我玻爾眼裡,它們從未分開,它們仍然是一個完整的整體,不論它們相隔得有多遠,它們都是一個整體,兩個量子是難分難解地糾纏在一起,組成了一種量子糾纏態,這種糾纏與空間距離無關,哪怕它們分別位於宇宙的兩端,它們也是糾纏在一起的。因此,它們之間根本不需要什麼超光速信號,就能確保達成一致,一個左旋另外一個必定右旋。在我們觀測之前去討論它們倆到底是左旋還是右旋是「沒有意義」的,我們只能認為它們倆同時處在左旋和右旋的兩種狀態中,觀測行為本身就是結果的一部分,沒有觀測這個行為就不會有左右旋的結果。

玻爾的這個回答沒能讓愛因斯坦信服。在愛因斯坦看來,波爾雖然沒有反對相對論,沒有承認超光速,但是他放棄了物理世界的客觀實在性,這是唯心的,是形而上的哲學,是不能容忍的,玻爾把上帝當作什麼了!

愛因斯坦和玻爾都急切地盼望實驗物理學的高手們能把這個EPR實驗真的做出來,互相都想讓對方心服口服。但是,這個實驗說起來容易,做起來可是難如上青天啊。最難的倒不在於檢測量子的自旋狀態,因為很多基本粒子都帶電,自旋的方向是可以被檢測出來的。但是最難的卻在於如何確定「左」還是「右」。你可能一下子沒想通,茫然地問我,這很難嗎?是的,相當之難,而且幾乎沒可能。現在請你想像一下,如果你手裡面有兩個白色的球,注意是純白色的,上面任何標記都沒有,這兩個球不論從什麼方向什麼角度看過去都是一模一樣的,現在你把這兩個球平放在手裡面,讓它們一個逆時針轉動,一個順時針轉動,然後,你把這兩個球隨手往外扔出去,有人撿到了這兩個球。你想一想,那個人能判斷出這兩個球當初在我手上的時候,是同方向轉動的還是反方向轉動的?很顯然是不能的,原因是我們這個世界是一個三維的世界,兩個球在扔出去的過程中不知道翻了多少個跟頭,也不知道是怎麼個翻跟頭法的,等到了別人手裡的時候,誰知道兩個球到底怎麼個翻滾過了呢?球上又沒有任何的標記,不管從哪個方向看過去都是一樣的,所以在別人手裡的時候,在那個人的眼裡看來,這兩個球的自旋方向有可能是朝著任何方向的。