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第8章 量子必须死（第1页）

第8章　量子必须死

阿尔伯特·爱因斯坦攻击量子论

这是1935年5月4日《纽约时报》的头条新闻，时年56岁的世界上最伟大的物理学家转而反对他自己的创造物，就像弗兰肯斯坦（1）抛弃自己创造的怪物一样。当然，爱因斯坦一直对量子力学心存疑虑。1935年，在他的年轻助手纳森·罗森的帮助下，爱因斯坦投入了所有时间，他要把量子力学推向灭亡。

倾注了多年的血汗，并得到了俄罗斯物理学家鲍里斯·波多尔斯基的一点帮助，爱因斯坦最终在玻尔的盔甲上发现了一道裂缝，这就是后来的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬，简称“EPR佯谬”。[1]

必须处死猫吗

薛定谔方程把粒子描述成一个随时间变化的取平方根的可能属性—波函数。我们没有理由只局限于一个粒子。

氦原子的原子轨道上有两个电子。由于波函数可以叠加，两个电子的波函数可以组成一个“双电子波函数”。这在数学上比较复杂，但在物理学上没有问题。

我们甚至可以更进一步，把质子和中子的波函数与双电子波函数加起来，从而得到整个原子的波函数。实践中很难做这样的计算，通常我们不得不走捷径（参阅附录Ⅱ），但在理论上我们可以计算任何事物的波函数，无论它包含多少粒子。

我们先从两个电子开始，把它们的波函数加起来。现在，在波函数上计算的每一个值，都是把这对电子当成一个单位，而不是单个的电子。

一对电子的波函数可以告诉我们，其中一个电子上旋，而另一个电子下旋，但在测量之前我们无法确定究竟是谁在上旋、谁在下旋，因为波函数是联合在一起的，我们必须描述整体，而不能描述其中的成员。

薛定谔把这样的两个粒子称为“纠缠”，因为它们的属性就好像纠缠在一起，在测量时无法预测哪个粒子会出现哪种属性。[2]

我们可以打个比方，还是以薛定谔的盒子为例，但里面关着两只猫。在经典状态下这两只猫是不同的。“手套”是一只毛发蓬松、长胡须的橘猫，“靴子”是一只毛发粗糙、短胡须的黑猫。但在量子力学中，我们只能说盒子里存在“橘猫”“黑猫”两种状态，以及“毛发粗糙”“毛发蓬松”“短胡须”和“长胡须”这些状态。

打开盒子的时候，我们可能发现一只毛发蓬松、短胡须的黑猫和一只毛发粗糙、长胡须的橘猫。很难说哪只是本来的“手套”。

“手套”已经不存在了，因为定义它的特征不再相同，而是与“靴子”混在一起。换句话说，猫不会消失，但通过纠缠，它与另一只猫“杂交”在一起。

分而迷惑

假设有一个未被测量的粒子，该粒子同时处于上旋和下旋的叠加态。现在把它分成两部分（别担心怎么做，假设你能做到），形成两个次级粒子。原始的初级粒子的波函数已经分裂，但它的所有信息仍然存在。次级粒子具有初级粒子的综合属性，但仍然很难说哪个粒子有哪种属性。

根据经典物理的常识，我们可以得出结论，其中一个粒子上旋，另一个粒子下旋。但量子力学说，在测量之前我们无法确定粒子的性质。这两个粒子的整体仍然处于上旋／下旋的状态，但它们都没有决定选择上旋还是下旋。

当然，如果我们测量其中一个粒子，它就必须选择一种本征态。假设它选择上旋。两个粒子的整体波函数仍然是上旋／下旋，由于其中一个粒子已经选择了上旋，那么另一个未被测量的粒子就一定会在瞬间变成下旋。

按照薛定谔的理论，另一个未被测量的粒子不能保持叠加态，因为整体波函数始终处于上旋／下旋的状态。如果我们测量一个粒子，使其坍缩成本征态，那么另一个粒子就必须采取对应的本征态。

然而，要使未被测量的粒子坍缩成下旋，那么已测量的粒子就必须让它知道，两者之间会传递这样的信息：“我已经坍缩成上旋，你最好现在就坍缩成下旋！”

粒子之间的距离无关紧要。我们可以在一个房间的两端或一颗行星的两端这样做，结果都是一样的。量子力学预测，一对纠缠的粒子必须在瞬间相互传递信息，这就是EPR佯谬的来源。信息不可能传递得那么快，否则就违背了狭义相对论。

相对简单

量子力学是团队努力的结果。普朗克是经理，爱因斯坦是队长，玻尔是守门员（他实际踢的位置），德布罗意、玻恩、索末菲和泡利是中场，然后海森堡和薛定谔是前锋，施特恩和格拉赫是后卫。噢，很明显，他们的吉祥物是一只猫。

在量子力学的发展过程中，量子物理学家获得了超过30个诺贝尔奖。虽然爱因斯坦是一个关键人物，但他只是其中之一。不同的是，狭义相对论基本上就是爱因斯坦一个人的理论。

相对论有两种，分别是1916年提出的广义相对论和1905年提出的狭义相对论。我们将在最后一章讨论广义相对论，但EPR佯谬只涉及狭义相对论，所以我们先了解一下。

狭义相对论做了两个假设：

（1）测量时，所有人的视角都是一样的；