两万字长文带你走近神秘的量子纠缠（中1）-经管之家官网！

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约翰·惠勒

刚才谈到过的约翰·惠勒，曾经与玻尔和爱因斯坦在一起工作过，被人称为“哥本哈根学派的最后一位大师”。惠勒也是“黑洞”一词的命名者。学物理的也许记得他和他两个学生合写的那部大块头著作：《引力论》(Gravitation)。此书洋洋洒洒 1279 页，拿起来像块大砖头，是一部既学术严谨又风格诙谐的巨著。

惠勒是在 2008 年 96 岁高龄时去世的。难能可贵的是，90 多岁高龄的他还一直在继续思考量子力学中的哲学问题。去世后，人们发现他的本子上还留有 95 岁时写下的物理研究笔记。

惠勒对量子论的贡献非同一般。上世纪 80 年代初期，笔者在德州奥斯汀大学时，有幸与惠勒博士在一起工作，并准备和翻译当时他去中国访问的讲稿，那篇讲稿是基于他的一篇论文 Law without Law ( 没有定律的定律 )，后来，此讲稿由中国科学技术大学的方励之编著，1982 年出版，取名为《物理学和质朴性——没有定律的定律》[9]。

也许正是因为在晚年时思考了太多有关量子力学的哲学问题，惠勒在谈话中经常会冒出几句哲理深奥的话语，刚才说的演讲稿的标题就是一例：《没有定律的定律》。此外，他还说过“没有质量的质量”、“没有规律的规律”等意味深长的妙句，发明了“黑洞”、“真子(geon)”、“量子泡沫”等使人遐想联翩的科学名词。记得惠勒曾引用玻尔的话说，“任何一种基本量子现象只在其被记录之后才是一种现象”，其意思正代表了哥本哈根派的观点！

当年的记忆

在笔者 1983 年对惠勒教授的一次访谈中，重视教育的惠勒谈到了玻尔当年的研究所及他个人的一些教育理念[10]。惠勒说：“……早期的玻尔研究所，楼房大小不及一家私人住宅，人员通常只有 5 个，但玻尔却不愧是当时物理学界的先驱，叱咤着量子理论的一代风云。在那儿，各种思想的新颖和活跃，在古今的研究中是罕见的。尤其是每天早晨的讨论会，既有发人深思的真知灼见，也有贻笑大方的狂想谬误，既有严谨的学术报告，也有热烈的自由争论。然而，所谓地位的显赫、名人的威权、家长的说教、门户的偏见，在那斗室之中，却没有任何立足之处”。“没有矛盾和佯谬，就不可能有科学的进步。约丽斑驳的思想火花往往闪现在两个同时并存的矛盾的碰撞切磋之中。因此我们教学生、学科学，就得让学生有‘ 危机感’，学生才觉得有用武之地。否则，学生只看见物理学是一座完美无缺的大厦，问题却没有了，还研究什么呢？从这个意义上来说，不是老师教学生，而是学生‘教’老师。”

“对爱因斯坦来说，古怪的并协性完全不可接受。”谈到玻尔和爱因斯坦的量子力学之争时，惠勒说，“很难再找到其他先例能和这场论战相比拟，它发生在如此伟大的两个人之间，经历了如此长久的时间，涉及如此深奥的问题，却又是在如此真挚的友谊关系之中……”。

延迟选择实验

在《物理学和质朴性》讲稿中，惠勒提到他在 1979 年为纪念爱因斯坦诞辰 100 周年的普林斯顿讨论会上，提出的所谓“延迟选择实验”(delayed choice experiment)。这个“延迟选择实验”，是我们讨论过的“电子双缝干涉”实验的一个令人吃惊的新版本。在新构想中，惠勒戏剧化地将实验稍加改变，便可以使得实验员能在电子已经通过双缝之后，作出“延迟决定”，从而改变电子通过双缝时的历史！惠勒曾经用一个龙图来说明这一点。这个龙图也可以用费曼的路径积分观点来理解：龙的头和尾巴对应于测量时的两个点，在这两点测量的数值是确定的。根据量子力学的路径积分解释，两点之间的关联可以用它们之间的所有路径贡献的总和来计算。因为要考虑所有的路径，因此，龙的身体就将是糊里糊涂的一片。

惠勒想象中的龙图。只有龙头和龙尾这两个观测点是清晰的，其余部分则是一团迷雾

在惠勒的“延迟选择实验”构想提出5 年后，马里兰大学的卡洛尔·阿雷(Carroll O Alley)实现了这个延迟选择实验，其结果和玻尔一派预言的一样，和爱因斯坦的预言相反！后来，慕尼黑大学的一个小组也得到了类似的结果。

惠勒提出“ 延迟选择实验”时，已经到了 1979 年。我们先回到 1964 年。出于捍卫爱因斯坦 EPR 论文的初衷，追寻爱因斯坦之“实在论”之梦，另一位杰出的英国物理学家，约翰·斯图尔特·贝尔 (JohnStewart Bell)，带着他的“贝尔不等式”，潇洒登场。

可行的实验方案

John Wheeler

(1984 年笔者摄于美国德克萨斯州立大学奥斯汀分校)

惠勒不仅构想了“延迟选择实验”，也是提出验证光子纠缠态实验的第一人。他在1948 年提出，由正负电子对湮灭生成的一对散射光子应该具有两个不同的自旋，即如果一个是左旋，另一个就应该是右旋。也就是说，这一对光子互相纠缠。一年之后，吴健雄和萨科诺夫成功地完成了这个实验，证实了惠勒的预言，生成了历史上第一对互相纠缠的光子。

物理理论是必须用实验来验证的，这就是为什么诸如玻尔、爱因斯坦、惠勒这些大理论物理学家都非常热衷于提出一个又一个思想实验的原因。量子纠缠态近年来宏图大展，也是以实验中的不断突破为基础。这个突破起始于英国物理学家约翰·斯图尔特·贝尔 (JohnStewart Bell)，他用著名的“贝尔不等式”将 EPR 佯谬中的思想实验推进到一个切实可行的物理实验。

图2 John Stewart Bell(图片来自网络http://www.dipankarhome.com/)

贝尔其人

贝尔于 1928 年出生在北爱尔兰的一个工人家庭，那是玻尔和爱因斯坦索尔维会上首次开战后的第二年。也许这是上帝在冥冥之中派来的一个将来能够突破“玻爱世纪之争”僵局的使者吧。小时候的贝尔一头红发，满脸雀斑，为人诚实，聪明好学，长大后则迷上了理论物理。他严谨多思，意志顽强，不屈不饶，敢作敢当，对疑难问题一头扎下去，不弄个水落石出绝不罢休。

然而，量子论的理论研究只是贝尔的业余爱好。他多年供职于欧洲高能物理中心 (CERN)，做与加速器设计工程有关的工作，与理论物理，特别是量子论的理论基础的工作，相距甚远。贝尔只能利用业余时间来研究理论物理。正是这一业余研究使贝尔留名于物理史。

EPR 佯谬背后的矛盾

我们再回到玻爱之争的顶峰——EPR 佯谬的问题上来。当时玻尔写文章回击了爱因斯坦等人的质疑，世纪争论似乎平息了，哥本哈根诠释成为量子论的正统解释。再说，既然问题是出在两大巨头不同的哲学观上，便引不起多少人的兴趣了。大多数科学家已经很少关心他们的争执。量子论的成功有目共睹，科技革命的果实每个人都乐于分享，每天早上太阳照样从东方升起，谁也看不见波函数如何坍缩，又有谁管那些微观世界中被理论物理学家们描述得神乎其神的奇怪的量子现象呢？玻尔代表的量子论的正统解释也有其道理，当我们没有去进行量子测量，没有抓住薛定谔的猫之前，讨论这只猫到底是死是活也许没有什么意义。反正只要在进行测量时，能知道它是死的还是活的就行了！

当然，也总有那么一些脑袋停不下来的理论物理学家仍然在冥思苦想这个问题：应该如何解释量子论中诡异的相干性和纠缠性？在此，我们顺便用几句话简单总结一下前几讲中提到过的有关知识。相干性涉及光和粒子的波粒二相性，最简单的例子是双缝干涉实验；纠缠性是 EPR 论文中提出的，涉及多个粒子的量子纠缠态。这是了解量子论诡异性的两个不同层次。

双方的争执为什么三番五次总不能平息？关键问题是：爱因斯坦这边坚持的是一般人都具备的日常生活中得来的经典常识，玻尔一方却更执着于微观世界的观测结果。那么，既然爱因斯坦不同意玻尔的几率解释，有人就总想找出别的解释，既能照顾到爱因斯坦的“经典情结”，又能导出量子论的结论。这其中，支持度较多的有“多世界诠释”和“隐变量诠释”。

多世界诠释

可以再借用薛定谔的猫来简述“多世界诠释”。持这种观点的人认为，两只猫都是真实的。有一只活猫，有一只死猫，但它们位于不同的世界中。当我们向盒子里看时，也就是说进行量子测量的时候，整个世界立刻分裂成它自己的两个版本。这两个版本在其余的各个方面都是全同的。唯一的区别在于，在其中一个版本中，原子衰变了，猫死了；而在另一个版本中，原子没有衰变，猫还活着。

多世界诠释下对薛定谔的猫的解释

惠勒、霍金、费曼、温伯格等都在一定程度上支持过“多世界诠释”。据一些简单的统计调查，支持“多世界诠释”的物理学家似乎越来越多。有人认为，它已经在逐渐代替“哥本哈根诠释”。但是，也有许多物理学家不喜欢它，包括爱因斯坦，有人诙谐地说：“我不能相信，仅仅是因为看了一只老鼠一眼，就使得宇宙发生了剧烈的改变！”的确，量子力学只涉及到微观粒子的问题，要解释它，大可不必牵动整个宇宙！这其中的诡异性，恐怕比“哥本哈根诠释”，有过之而无不及。因此，我们也回避回避，暂时不在这里讨论它。

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