量子纠缠现象是否意味着宇宙间存在超越距离的联系？
2024-11-19 阅读 11
更新于 2024年11月21日
好问题。
这个问题看起来很简单（学过量子力学的本科生都能说道说道），但背后还隐藏着丰富的内涵，它甚至涉及到近十几年理论物理前沿研究的部分内容。
1. 量子纠缠我们从量子力学开始出发。
对于多个相互作用从而形成纠缠的多体系统而言，哪怕它们彼此被分离到极其遥远的距离，它们的量子态仍然是关联的，这意味着对其中一个粒子的测量会立即影响其他粒子的状态。
以两个电子自旋耦合形成的自旋单态为例：
|\psi \rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}\left(| \uparrow\rangle_1\otimes|\downarrow\rangle_2 - | \downarrow\rangle_1\otimes|\uparrow\rangle_2 \right).\\|\psi \rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}\left(| \uparrow\rangle_1\otimes|\downarrow\rangle_2 - | \downarrow\rangle_1\otimes|\uparrow\rangle_2 \right).\\每一个电子的状态在测量之前都是不确定的，但是一旦我们测量其中一个电子，系统量子态会立刻坍缩到其中一个本征态上。假如我们测量得到电子 1 的自旋是向上的 |\uparrow\rangle_1|\uparrow\rangle_1 ，那么我们可以立即知道电子 2 的自旋是向下的 |\downarrow\rangle_2|\downarrow\rangle_2 。同理，如果我们测得电子 1 的自旋是向下的 |\downarrow\rangle_1|\downarrow\rangle_1 ，我们也可以立即知道电子 2 的自旋是向上的 |\uparrow\rangle_2|\uparrow\rangle_2 。
这种瞬时关联也被爱因斯坦称为「鬼魅般的超距作用」（spooky action at a distance）。然而量子纠缠看似突破了经典物理中「光速是速度的极限」的信念，但它并不意味着信息可以超光速传递。根据量子力学解释，纠缠并不允许我们以超光速传输经典信息，因此并不违反因果律。比如依赖于量子纠缠来传递信息的量子隐形传态（quantum teleportation）其实也还是需要借助经典信道才能实现。
出于对量子纠缠的怀疑，爱因斯坦、波多尔斯基、罗森于 1935 年提出了 EPR 思想实验（做一个标记，它在本回答后面还会出现），若定域实在论成立，那么量子力学就是一个不完备的理论。爱因斯坦也提出了「隐变量理论」来试图解释这种现象，但后来的贝尔不等式实验推翻了这种隐变量假设，实验证明量子纠缠的关联确实是非定域性的，在量子力学中定域实在论并不成立。
量子纠缠的超距关联其实就直接体现了量子力学的非定域性，它也是量子物理区别于经典物理所特有的性质。
