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 19
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。
2. 时空结构的涌现如果你觉得以上故事颇为友好，那接下来请坐好，我要准备飙车了。
时间和空间的本质是什么？
这一直是理论物理中非常令人着迷的问题，也是探寻量子引力理论中需要求解的谜题之一。时间和空间可能不是基本的事物，它可能也只是从更基本的结构涌现出来。近几年就有一些观点认为时空结构来自于量子纠缠[1] [2]，如下图所示。这就直接联系到了广义相对论与量子力学，比如 2013 年 Susskind 和 Maldacena 提出的 ER=EPR 猜想。
用量子纠缠编织时空，图源：Clara Aldegunde. Physics World, 2022很多人可能会好奇量子纠缠怎么会和引力扯上关系。
这个故事最早可以扯到上个世纪七十年代霍金和贝肯斯坦等人发现的黑洞熵上。之后在九十年代，'t Hooft 和 Susskind 提出了全息原理[3] [4]，即时空中的量子引力理论与边界上的量子场论等价。这意味着就像电视屏幕的二维像素阵列可以给出三维图像一样，我们所处的时空也可以用低维度的底片发出的全息投影来描述。
