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讓愛因斯坦困擾的量子糾纏現象,看似荒謬,實則暗藏玄機!
2023/04/10

量子糾纏,是量子力學里最古怪的東西,因為它能產生「鬼魅般的超距作用」。在未來世界里,人類或許能通過量子糾纏來實現「瞬間移動」,將人體或物體從一處傳送到另一處。

愛因斯坦生前常說,量子力學并非有誤,它只是到目前為止還不夠完備,還沒有找出那些可以準確預測出事物的關鍵要素。

盡管愛因斯坦如此評價,波爾仍然不為所動。盡管愛因斯坦說「上帝不擲骰子」,波爾則答復道:「別再告訴我上帝該怎麼做了。」但在1935年,愛因斯坦認為他終于找到了量子力學的致命弱點。這事件詭異至極,它違反了宇宙中所有的邏輯,愛因斯坦認為這是能夠證明量子力學不完備的關鍵——這就是「量子糾纏」。

波爾與愛氏之爭

史上最怪、最不合理、最瘋狂、最荒謬的量子力學預測便是「量子糾纏」。量子糾纏是一種理論性的預測,它是從量子力學的方程式中得來的。如果兩個粒子的距離夠近,它們可以變成糾纏狀態而使某些性質連接。出乎意料的是,量子力學表明,即便你將這兩個粒子分開,讓它們以反方向運動,它們依舊無法擺脫糾纏態。

要了解量子糾纏有多麼怪異,我們可以拿電子的「自旋」作例子。電子的自旋與陀螺不同,其狀態總是游移不定的,直到你觀測它的那一刻才能決定。 當你觀測它時,就會發現它不是順時針轉就是逆時針轉。假設有兩個互相糾纏的電子對,當其中一個順時針轉時,另一個就逆時針轉,反之亦然。不過奇怪之處是它們并沒有真正連接在一起。

對量子理論堅信不疑的波爾和他的同事們相信,量子糾纏可以預測相隔甚遠的電子對的狀態,即便它們一個在地球,一個在月球,沒有傳輸線相連,如果你在某個時刻觀測到其中一個電子在順時針旋轉,那麼另一個在同一時刻必定是在逆時針旋轉。換句話說,如果你對其中一個粒子進行觀測,那麼你不止是影響了它,你的觀測也同時影響了它所糾纏的伙伴,而且這與兩個粒子間的距離無關。兩個粒子的這種怪異的遠距離連接,愛因斯坦稱之為「鬼魅般的超距作用」。

量子糾纏的神奇之處就在于,當你對其中一個粒子測量時,也會影響到另一個粒子的狀態,盡管二者之間沒有作用力、滑輪或電話線之類的東西相連,沒有任何方法可以彼此溝通。 這真是詭異至極啊!

愛因斯坦無法相信糾纏會如此運作,于是他說服自己:出錯的是數學,而不是現實。他贊同糾纏態的粒子是存在的,但他認為有更簡單的方式可以解釋為什麼它們彼此連接,而不必涉及神秘的超距作用。他堅信一對糾纏態的粒子更像是一雙手套。想象把一雙手套分開放置于兩只箱子中,然后一只箱子交給你保管,另一只箱子則放置于

南極洲,在你開箱以前就知道箱子里放著左手或右手的手套。然后你打開箱子,如果看見左手的手套,在這瞬間,就算沒人看過南極洲的箱子,你也能夠知道那里裝的是右手的手套。

這一點也不神秘,你打開箱子,顯然不會影響到另一只箱子里的手套。你身邊的這只箱子裝著左手的手套,而南極洲的那只箱子則裝著右手的手套,這是在當初分裝時就已決定了的。愛因斯坦相信,所謂的糾纏態只不過如此而已,電子的一切狀態在它們彼此分離的時候就已經決定了。

波爾和愛氏,到底誰對誰錯呢?

波爾所擁護的量子力學方程式表明,相互糾纏的粒子即使相距很遠,也可以互相連接;而愛因斯坦則不相信有鬼魅般的連接,而認為在你觀察以前,一切就已經決定了。愛因斯坦稱,粒子在被觀測前就已經決定了自旋狀態。你對愛因斯坦說「那你怎麼知道呢」,他會說「你測量它,就會發現那絕對的自旋態」。波爾則會說「但是那自旋的狀態是由于你的觀測所造成的」。當時,沒人曉得怎麼去解決這個問題,于是這個問題被認為是哲學問題,而不是科學問題。1955年,愛因斯坦逝世前仍舊相信量子力學是個不完備的理論。

克勞澤的驗證

1967年,在美國哥倫比亞大學,愛因斯坦挑戰量子力學的任務由一位年輕人承接下來了。當時,約翰·克勞澤(John Clauser)正在尋找天文物理學博士論文的課題。在讀了一篇鮮為人知、由愛爾蘭物理學家約翰·貝爾(John Bell)所寫的論文后,克勞澤認為自己找到了驗證誰對誰錯的實驗方法。在這篇論文中,貝爾已經發現如何驗證糾纏態的粒子究竟是用鬼魅般的作用來溝通,抑或是根本就沒有什麼鬼魅,粒子的狀態就像是成雙的手套那樣早就已經決定了的。 貝爾甚至巧用數學運算,證明了如果這鬼魅般的作用不成立,那麼量子力學就正如愛因斯坦所想的那樣,是錯的。貝爾是個理論物理學家,他的論文表明只要你能夠建造出一種儀器,能夠大量制造并比較糾纏態的粒子,這個問題就可以被解決。

按照貝爾在論文中的想象,克勞澤設計出了能夠平息這場爭論的儀器。「那時候我還只是個笨手笨腳的研究生,便很幸運地有了一個機會來發現能夠震撼全世界的結果。」克勞澤的儀器可以測量數以千計的糾纏粒子,然后比較它們的自旋狀態,但隨著結果逐漸揭曉,克勞澤感到驚訝并為此不悅。「我不斷地問自己:我哪里做錯了嗎?」克勞澤反復重復了自己的實驗。不久后法國物理學家阿蘭·阿斯佩(Alain Aspect)進行了更明確的測試,得到了更加確定的結果,消除了一切疑問。

克勞澤與阿斯佩的結果相當驚人,他們證明了量子力學的方程是正確的,糾纏是真實的,粒子可以跨越空間連接——對其一進行測量,確實可以瞬間影響到它遠方的同伴,仿佛跨越了空間限制。愛因斯坦生前認為不可能的「鬼魅般的超距作用」,確實存在。「我再次為自己沒有推翻量子力學而感到難過,因為無論是在當時還是現在,要我理解量子力學都是很困難的。」克勞澤說。

瞬間移動技術

量子糾纏,是量子力學里最古怪的東西。即使我們無法領會它,也不要問這是為什麼,我們只能說,世界顯然就是如此運作的。倘若我們能夠接受世界原本就是如此古怪的事實,那麼我們能否利用這種「鬼魅般的超距作用」來做些有用的事情呢?好吧,夢想之一就是實現「瞬間移動」,將人體或物體從一處傳送到另一處,而不需要經過中間的空間。

美國科幻劇《星際迷航》總是在用「瞬間移動」方法,把人從一處送到另一處。不過這是科幻,量子糾纏能使夢想成真嗎?事實上,瞬間移動的實驗早就在非洲加那利群島的海岸邊進行了。「我們之所以選在加那利群島做實驗,是因為這里有兩座天文台,這樣的實驗環境很棒。」維也納大學的實驗物理學家安東·蔡林格(Anton Zeilinger)說。蔡林格的傳送對象不是他自己或其他人,他試圖利用量子糾纏來傳送單一微小的粒子,在此例中是光的粒子,即光子。

他先在拉帕爾瑪的實驗室中制造出一對糾纏的光子,將其一留在拉帕爾瑪,另一個則用激光發送到140公里外的特內里費島上。蔡林格再追加第三顆要被傳送的光子,讓它與留在拉帕爾瑪的糾纏光子互相作用。研究團隊再將這兩個光子的量子狀態作出比較,神奇的事就發生了。由于鬼魅般的超距作用,團隊能夠利用這項比較來將遠方島上的糾纏態光子轉變為與第三顆光子相同的東西,仿佛第三顆光子瞬間超越了海洋一樣。

「這就像是取出了原本光子的信息,然后在遠方重建它。」使用這種技術,蔡林格已經成功傳送了幾十個光子。

如果將這種技術繼續發展下去會如何呢?既然我們的身體也是由粒子所組成的,這項技術未來能否用來傳送人體呢?假如你人在上海,卻想去巴黎吃頓午餐,那麼理論上,量子糾纏在未來可以使之實現。你只需要在上海把自己變成一群粒子,并使它們與巴黎的另一群粒子糾纏。

想象一下遙遠未來的某一天,在上海,你走進一個透明的圓筒狀掃描艙中,裝置便開始擊碎你的身體,將其分解成為基本粒子,并掃描每一個粒子;與此同時,位于巴黎的一個掃描艙也對其中的粒子進行掃描,列出上海與巴黎兩組粒子的量子狀態對照表,接著加入了糾纏效應。隨后,操作員將量子狀態對照表傳送到巴黎,在那邊用這張表來重建你身體粒子的確切量子狀態。

由于鬼魅般的超距作用,另一個你就在巴黎成形了。這并非是你身體的粒子從上海移動到了巴黎,而是量子糾纏允許你的量子狀態可以在上海被擷取,于是你的復制品到了巴黎。 在巴黎成形的那位的確是你,因為在上海測量所有粒子的狀態時,就已經摧毀了原來的你。

就目前的技術而言,我們離人體「瞬間移動」還很遙遠,但這樣的展望仍然會引發我們的深思。顯然,位于上海與位于巴黎兩處的你是毫無差異的,因為根據量子力學,讓你成為你的不是物理粒子,而是這些物理粒子中所包含的信息,而構成你身體的幾百萬兆個粒子中的信息都可以被傳送。不過你或許仍然會問:巴黎那邊的我真的是我嗎?

蔡林格認為:「這是一個深刻的哲學問題。到達接收站的個體究竟是不是本來的個體?我所說的‘本來’的個體,應該是含有原本個體的所有特性,如果是這樣的話,那麼就可以算是‘本來’」。

不過,人的情感卻往往是非理性的。克勞澤就曾說過:「我可不想踏進那機器里一步。」

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