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思想實驗 EPR悖論與匪夷所思量子纏結│科學史上的今天:5/15

1935 年,愛因斯坦在普林斯頓的辦公室內望著窗外的天空。他還是不信上帝會玩骰子。其實他也不相信有宗教裏面那種會干涉人類命運的上帝,他所指的是支配著宇宙萬物如何運轉的優雅法則。

雖然愛因斯坦自己就是量子力學的開創者之一,但是打從他的好友玻恩(Max Born)於 1926 年用機率來詮釋薛丁格的波動方程式後, 他就與量子力學漸行漸遠了。尤其第二年海森堡提出不確定性原理,主張沒有所謂的客觀實在,只有觀測所得的結果──這所謂的「哥本哈根詮釋」更完全違背他的信念,難道月亮只有當你看它的時候才存在?!

他與他們的精神領袖波耳多次辯論,但波耳總是能成功擋下他每次的攻擊。將近十年過去,隨著量子力學日漸堅實,越來越多物理學家加入他們的陣營,但他仍堅守立場,而今他終於找出不確定性原理的漏洞了!

1935 年的今天,愛因斯坦與波多斯基(Boris Podolsky)、羅森(Nathan Rosen)三人共同發表一篇論文〈物理實在的量子力學描述能被視為完備的嗎?〉。這個後來以他們三人姓氏開頭字母簡稱的「EPR悖論」設想了一個思想實驗:

A、B 兩個粒子交互作用後彼此遠離。

雖然不確定性原理指出:位置越精確則動量越不確定,反之亦然。但我們可以只測量 A 粒子的動量,而根據守恆定律推算出 B 粒子的動量;同時我們只測量 B 粒子的位置,也可得知 A 粒子的位置。如此一來,我們就可以同時知道兩個粒子的動量與位置,但量子力學卻無法同時表述出這兩個物理量的值,可見它並不完備。

薛丁格讀了這篇論文後,深表同意,並用「量子纏結」這個名詞稱呼這兩個產生交互作用的粒子,指出其荒謬之處:若按照哥本哈根詮釋,測量A粒子才讓它從各種可能性的「疊加態」崩陷為某一特定狀態;而在此瞬間,B粒子也會從疊加態崩陷為與A互補的狀態。假設我們等這兩個粒子相距甚遠才測量,那麼測量仍在地球的 A 粒子竟會瞬間影響已經遠在冥王星的 B 粒子,豈非違反了狹義相對論已經證明的「光速是無法超越的極限」?!愛因斯坦聞之也附和嘲笑這根本是「鬼魅的超距作用」

然而量子世界中似乎真的存在超距作用。愛因斯坦過世十年後,愛爾蘭物理學家貝爾(John S. Bell)於 1964 年提出檢驗量子纏結是否存在的實驗方法。等到一九八○年代技術成熟以後,許多實驗的統計結果都違反了「貝爾不等式」,代表量子纏結的確成立。

愛因斯坦為了駁斥不確定性原理而提出 EPR 悖論,沒想到反而開啟一連串研究,證實了更匪夷所思的量子纏結現象。或許正如波耳所說的:

「如果你沒對量子力學深感震驚的話,表示你還沒瞭解它。」

 

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。