昨天我们谈到了量子,而在量子力学中最深奥的就是量子纠缠,这个问题常常与宇宙中的虫洞联系在一起,那么到底什么是量子纠缠呢?

  量子纠缠在维基百科中是这么解释的:在量子力学里,当几个粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质,无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,则称这现象为量子纠缠(quantum entanglement)。

  物理学家对量子纠缠的研究经历了两个阶段:其一是观念质疑与概念辨析阶段。这一阶段以爱因斯坦、波多尔斯基和罗森于1935年联名在《物理学评论》杂志上发表的“能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?”(通常简称“EPR论证”)一文为开端,以如何理解量子力学的基本特征为主线,围绕如何理解量子纠缠的思想实验展开争论;其二是实验证实与技术应用阶段。这一阶段以贝尔不等式的提出为契机,以检验这个不等式的一系列实验为基础,以量子信息科学与量子计算的迅猛进展为核心,把量子纠缠作为一种像能量一样的物理学资源,进行测量、转换和纯化,来探索其广泛的应用前景。对于哲学研究来说,量子纠缠引发的哲学问题比过去任何时候都更加尖锐与深刻。我们对这些问题的讨论,在本质上,不是对传统哲学观念的细枝末节的修正或补充,而是蕴含着彻底的哲学革命以及哲学思维方式的大转变。然而,令人遗憾的是,在国际学术界倍受关注的这一论题在国内哲学界却惨遭冷落,因此,我们有必要对这一论题进行深入探讨。

  量子纠缠其实就是一个真人伸出两只手来,人们只看见手,不见人,觉得两只手同时在做同样的动作,就认为是一只手动作也感应着另外一只手作同样动作了,其实这两只手是一个人在连接起来的,不是两只手单独存在的。

  “量子”(quantum)概念来源于拉丁语“quantus”,意思是“多少”(how much),意指一个固定的量,与此相关的一个重要常数称之为“作用量子”(通常称为普朗克常数),用h表示,h取自“Hiete”的第一个字母,是“帮助”的意思。在物理学史上,物理学家通常把普朗克提出作用量子的年代(1900年)确定为是量子时代的开端和机械力学时代的终结。此后,物理学家经过二十多年的努力,终于在1925年和1926年确定了量子力学的形式体系。量子力学是探讨构成物质基本单元(即亚原子粒子)的运动变化规律的学说。我们无法用仪器直接观察到微观粒子的存在状态,只能观察到它们在特定测量设置中的特定的行为表现,比如,云雾室里的径迹、盖革计算器的响声、双缝衍射图样等。在这个领域内,我们过去熟悉的许多规律和观念都失去了效用,“不确定性”主宰着一切。量子力学最离奇的特征是被爱因斯坦称之为“怪异的超距作用”的量子纠缠,我们在经典世界中从来没有遇到过类似情况。物理学家理解量子纠缠的过程,不只是理解量子力学的过程,同时还是澄清旧的哲学前提、确立新的哲学观念的过程。

  与继往通过实验现象归纳出理论观念的研究方式不同,物理学家最初对量子纠缠的认识并不是直接来源于所观察到的实验现象,而是来源于对量子力学的形式体系的理解与把握。薛定谔早在1926年创立他的波动力学时,已经意识到,假如几个粒子或光子是在某个物理过程中共同产生的,那么,它们之间就会发生纠缠。但是,量子纠缠现象真正引起物理学家的关注,应归功于爱因斯坦等人联名发表的EPR论证的文章。在当时的背景下,EPR论证与其说是一篇物理学论文,不如说是一篇典型的量子力学哲学论文。过去人们通常认为,这篇论文的学术价值在于爱因斯坦与玻尔就量子力学的完备性问题的争论,事实上,从当前的发展来看,这篇论文更大的学术价值在于技术应用和由此引发的哲学讨论。量子纠缠这个概念的提出归功于薛定谔。1935年10月,薛定谔在《剑桥哲学学会的数学进展》杂志上发表了“分离系统之间的概率关系的讨论”一文,在该文中,薛定谔进一步推广了EPR论证的讨论,并创造了“纠缠”这一术语来描述复合的量子系统存在的这种特殊关联。

  薛定谔在这篇讨论性文章中开门见山地指出,当两个系统由于受外力作用经过暂时的物理相互作用之后再彼此分开时,我们无法再用它们相互作用之前各自的表达式来描述复合系统的态,两个量子态通过相互作用之后已经纠缠在一起。实验表明,不管这两个量子系统分离之后相距多远,都始终会神秘地联系在一起,其中一方发生变化,都会立即引发另一方产生相应的变化。简单地说,量子纠缠是指,曾经相互作用过的两个粒子,在彼此分离之后,对一个粒子的任何测量,都会影响到另一个粒子的存在状态。这也就解释了为什么总有人说出一些例如双胞胎的心灵感应等一系列“灵异”的话题,但还是没有人知道其中的真正奥秘,我也不敢对鬼神之说打什么包票。