爱因斯坦的幽灵--量子纠缠之谜
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爱因斯坦称为：
幽灵般的超距作用
一、幽灵出世
爱因斯坦：并认为这 种现象是绝不会出现的， 问题源于“量子力学是不 完备的”。
波尔：量子世界是非 局域的，这个超距离作用 必定存在，量子力学是完 备的。
贝尔
一、幽灵出世
贝尔是欧洲核子研究中心的理论物理专 家，专职于加速器设计和粒子物理研究，关 于量子力学基本问题的研究只是他的业余爱 好。自称是爱因斯坦的追随者。
爱因斯坦的幽灵 －－量子纠缠之谜
郭光灿
中国科学技术大学 中科院量子信息重点实验室
合作者
高山
悉尼大学科学史与科学哲学系 在读博士生
研究方向： 量子力学基础
目录
一、幽灵出世
二、失落的世界 三、迷雾重重 四、坍缩之路 五、超光速可能吗？ 六、纠缠的妙用 七、结束语
一、幽灵出世
经典关联：伯特先生的袜子
一、幽灵出世
两电子即便在空间上分开，仍然不是独 立的，而是彼此关联的，这种非局域特性称 为EPR效应。
这种随机相关性，① 与粒子之间的距离 无关；② 可以同时测量，也可延迟测量， 即超光速的；③与空间环境无关，电磁屏蔽、 引力屏蔽等都无法阻挡它们的关联。
一、幽灵出世
微观粒子之间的存在某种超越时空的量 子纠缠，而基于这种纠缠，对某个粒子的作 用将会瞬时地影响另个粒子。
贝尔推导出有关EPR实验的一个不等式， 违背这个不等式“隐参数理论”就不成立。
一、幽灵出世
贝尔定理：任何与量子力学具有相同预 测的理论将不可避免地具有非局域特性。
两个相互纠缠的微观粒子存在这种非局 域关联，对其中之一施加作用，另一个粒子 瞬时“感应”到这种影响，并发生相应的状 态变化，无论它们相距多远。
400米，即以光速传播信号需1.3微秒。而实验测 量时间小于0.1微秒。消除了局域性漏洞，但存 在探测漏洞。
2001年．Rowe等人的实验采用铂离子之间的 量子纠缠，消除了探测漏洞。但两离子之间只有 几微米，无法消除局域性漏洞。
目前尚未同时消除两个漏洞的实验报导。
二、失落的世界
●从牛顿到爱因斯坦，人们坚信存在着独立于观 察的、确定性的实在世界。量子理论出现后，由 它所描述的微观粒子一般不具有确定的性质，只 有对这种性质进行测量后才能得到一个确定的测 量值。
二、失落的世界
●超距作用的实验漏洞有待修补
（A）局域性漏洞：关于纠缠粒子的异定测量存在相关 性。
例如：测量时刻的间隔超过以光速传播的信号在两 地之间的传播时间。→两地测量结果的相关性不必是超 距作用。
（B）探测漏洞：指探测量器的粒子检测效率不高，总有 一定比例的粒子检测不到。
二、失落的世界
研究现状： 1998年．塞林格小组将两个纠缠光子分离了
一、幽灵出世
弹子球游戏：
一、幽灵出世
加上微型机
Y
Y
令其关联
Y
Y
电磁屏中断经典纠缠
（空间缝隙）
一、幽灵出世
无屏蔽的相互作用：例如引力波发－收 器。
引力波传递速度为光速，导致再波未 到之前，两个小球仍相互独立，即时间缝 隙。
现实世界的经典纠缠受限于“空间缝 隙”和“时间缝隙”
一、幽灵出世Fra Baidu bibliotek
宇宙不仅比我们想象的奇怪，而且比我 们能够想象的还奇怪！
电子之间存在某种 超越时空的紧密纠缠！
一、幽灵出世
EPR效应 玻姆表述：A、B为自旋1/2的粒子，初始 总自旋为零。
BA
B
A
总自旋为零
一、幽灵出世
每个粒子的任意方向上测量自旋、要么 向上（＋1），要么向下（－1），随机的， 但测量后只有一个值，若A被初测量得＋1， 则B的值必定为-1,即便A、B同时测量也总是 总自旋为零。
（相互作用后1秒钟）
一、幽灵出世
-1.59m
+0.41m
＝2m
-0.17m
+1.83m ＝2m
两个电子之间的距离在任何情况下是确定的 （ ＝2M）,但每个电子的位置确是随机、不确 定的。即便同时测量两个电子的位置也是如此。
V1＝-1.12m/s
V1＝+1.12m/s
一、幽灵出世
0
V1＝-0.91m/s
V1＝+0.91m/s
两个电子的速度测量值总是大小相等，方向 相反，但其数值则是随机的，两个电子存在着：
随机相关性
一、幽灵出世
电子速度测量值的相关性似乎与电子位 置测量值的相关性矛盾：如：一秒后测量一 次电子的速度，结果是大小相等，方向相反， 但两个电子离开初始位置的距离竟然各不相 同。根源来自：
－－爱尔顿
1935年5月，爱因斯坦（E）、波多尔斯基（P） 和罗森（R）在“物理评论”上发表著名的EPR论文， 打开了通向神秘的量子纠缠世界的大门：超越时空的 无缝纠缠！
一、幽灵出世
EPR论文： 两个电子经过一定的相互作用后分开， 它们的速度之间和位置之间存在下述关联： 两个电子的速度总是大小相等、方向相反， 而它们之间的距离随时间按一定规律增加。
测量之前，不存在确定的、真实的世界！ 人类固有的天性会本能去反对这个虚无缥缈 且摇摆不定的世界。
二、失落的世界
1950年代初，爱因斯坦在普林斯顿的草坪上散步 时，突然站住，问他的朋友派斯：“你是不是果真 相信，月亮只有当我们注视它时才存在？”
在EPR论文中爱因斯坦试图证明量子理论不完备 性。量子理论无权反对世界的实在性和确定性。于 是引进隐参量来消除这种随机性和不确定性。
大量精确的实验已证实：超距作用的存在。爱因 斯坦的多次努力最终归于失败。
二、失落的世界
面对神秘的量子纠缠和“幽灵般的超距作用”， 人们会感到脚下赖以支撑的经典土地突然间变得摇 摆不定。无可奈何花落去！今天爱因斯坦心中的那 个确定性经典世界已经成为一个失乐园。在我们要 寻找的新世界中，不确定性、纠缠和超距将成为主 角。
一、幽灵出世
大量实验证明了贝尔定理。 一位杰出的普林斯顿物理学家说过：“不 被贝尔定理困扰的人，脑袋里一定有石头”。 另位物理学家作了分类： 类型1：为EPR及贝尔定理所困扰的物理学 家。 类型2：未被困扰的：
A.有自己的解释，但要么是完全不着边， 要么是错误。
B.拒绝作任何解释。
一、幽灵出世
量子纠缠的神秘性： （一）纠缠的主体是什么？究竟是谁在纠缠？ （二）纠缠是如何形成的？纠缠的形式究竟是怎 样的： （三）纠缠能被解开吗？怎样才能解开纠缠？ （四）如何理解纠缠过程中存在的超距作用？它 与相对论又如何结合呢？
幽灵般的超距作用
一、幽灵出世
爱因斯坦：并认为这 种现象是绝不会出现的， 问题源于“量子力学是不 完备的”。
波尔：量子世界是非 局域的，这个超距离作用 必定存在，量子力学是完 备的。
贝尔
一、幽灵出世
贝尔是欧洲核子研究中心的理论物理专 家，专职于加速器设计和粒子物理研究，关 于量子力学基本问题的研究只是他的业余爱 好。自称是爱因斯坦的追随者。
爱因斯坦的幽灵 －－量子纠缠之谜
郭光灿
中国科学技术大学 中科院量子信息重点实验室
合作者
高山
悉尼大学科学史与科学哲学系 在读博士生
研究方向： 量子力学基础
目录
一、幽灵出世
二、失落的世界 三、迷雾重重 四、坍缩之路 五、超光速可能吗？ 六、纠缠的妙用 七、结束语
一、幽灵出世
经典关联：伯特先生的袜子
一、幽灵出世
两电子即便在空间上分开，仍然不是独 立的，而是彼此关联的，这种非局域特性称 为EPR效应。
这种随机相关性，① 与粒子之间的距离 无关；② 可以同时测量，也可延迟测量， 即超光速的；③与空间环境无关，电磁屏蔽、 引力屏蔽等都无法阻挡它们的关联。
一、幽灵出世
微观粒子之间的存在某种超越时空的量 子纠缠，而基于这种纠缠，对某个粒子的作 用将会瞬时地影响另个粒子。
贝尔推导出有关EPR实验的一个不等式， 违背这个不等式“隐参数理论”就不成立。
一、幽灵出世
贝尔定理：任何与量子力学具有相同预 测的理论将不可避免地具有非局域特性。
两个相互纠缠的微观粒子存在这种非局 域关联，对其中之一施加作用，另一个粒子 瞬时“感应”到这种影响，并发生相应的状 态变化，无论它们相距多远。
400米，即以光速传播信号需1.3微秒。而实验测 量时间小于0.1微秒。消除了局域性漏洞，但存 在探测漏洞。
2001年．Rowe等人的实验采用铂离子之间的 量子纠缠，消除了探测漏洞。但两离子之间只有 几微米，无法消除局域性漏洞。
目前尚未同时消除两个漏洞的实验报导。
二、失落的世界
●从牛顿到爱因斯坦，人们坚信存在着独立于观 察的、确定性的实在世界。量子理论出现后，由 它所描述的微观粒子一般不具有确定的性质，只 有对这种性质进行测量后才能得到一个确定的测 量值。
二、失落的世界
●超距作用的实验漏洞有待修补
（A）局域性漏洞：关于纠缠粒子的异定测量存在相关 性。
例如：测量时刻的间隔超过以光速传播的信号在两 地之间的传播时间。→两地测量结果的相关性不必是超 距作用。
（B）探测漏洞：指探测量器的粒子检测效率不高，总有 一定比例的粒子检测不到。
二、失落的世界
研究现状： 1998年．塞林格小组将两个纠缠光子分离了
一、幽灵出世
弹子球游戏：
一、幽灵出世
加上微型机
Y
Y
令其关联
Y
Y
电磁屏中断经典纠缠
（空间缝隙）
一、幽灵出世
无屏蔽的相互作用：例如引力波发－收 器。
引力波传递速度为光速，导致再波未 到之前，两个小球仍相互独立，即时间缝 隙。
现实世界的经典纠缠受限于“空间缝 隙”和“时间缝隙”
一、幽灵出世Fra Baidu bibliotek
宇宙不仅比我们想象的奇怪，而且比我 们能够想象的还奇怪！
电子之间存在某种 超越时空的紧密纠缠！
一、幽灵出世
EPR效应 玻姆表述：A、B为自旋1/2的粒子，初始 总自旋为零。
BA
B
A
总自旋为零
一、幽灵出世
每个粒子的任意方向上测量自旋、要么 向上（＋1），要么向下（－1），随机的， 但测量后只有一个值，若A被初测量得＋1， 则B的值必定为-1,即便A、B同时测量也总是 总自旋为零。
（相互作用后1秒钟）
一、幽灵出世
-1.59m
+0.41m
＝2m
-0.17m
+1.83m ＝2m
两个电子之间的距离在任何情况下是确定的 （ ＝2M）,但每个电子的位置确是随机、不确 定的。即便同时测量两个电子的位置也是如此。
V1＝-1.12m/s
V1＝+1.12m/s
一、幽灵出世
0
V1＝-0.91m/s
V1＝+0.91m/s
两个电子的速度测量值总是大小相等，方向 相反，但其数值则是随机的，两个电子存在着：
随机相关性
一、幽灵出世
电子速度测量值的相关性似乎与电子位 置测量值的相关性矛盾：如：一秒后测量一 次电子的速度，结果是大小相等，方向相反， 但两个电子离开初始位置的距离竟然各不相 同。根源来自：
－－爱尔顿
1935年5月，爱因斯坦（E）、波多尔斯基（P） 和罗森（R）在“物理评论”上发表著名的EPR论文， 打开了通向神秘的量子纠缠世界的大门：超越时空的 无缝纠缠！
一、幽灵出世
EPR论文： 两个电子经过一定的相互作用后分开， 它们的速度之间和位置之间存在下述关联： 两个电子的速度总是大小相等、方向相反， 而它们之间的距离随时间按一定规律增加。
测量之前，不存在确定的、真实的世界！ 人类固有的天性会本能去反对这个虚无缥缈 且摇摆不定的世界。
二、失落的世界
1950年代初，爱因斯坦在普林斯顿的草坪上散步 时，突然站住，问他的朋友派斯：“你是不是果真 相信，月亮只有当我们注视它时才存在？”
在EPR论文中爱因斯坦试图证明量子理论不完备 性。量子理论无权反对世界的实在性和确定性。于 是引进隐参量来消除这种随机性和不确定性。
大量精确的实验已证实：超距作用的存在。爱因 斯坦的多次努力最终归于失败。
二、失落的世界
面对神秘的量子纠缠和“幽灵般的超距作用”， 人们会感到脚下赖以支撑的经典土地突然间变得摇 摆不定。无可奈何花落去！今天爱因斯坦心中的那 个确定性经典世界已经成为一个失乐园。在我们要 寻找的新世界中，不确定性、纠缠和超距将成为主 角。
一、幽灵出世
大量实验证明了贝尔定理。 一位杰出的普林斯顿物理学家说过：“不 被贝尔定理困扰的人，脑袋里一定有石头”。 另位物理学家作了分类： 类型1：为EPR及贝尔定理所困扰的物理学 家。 类型2：未被困扰的：
A.有自己的解释，但要么是完全不着边， 要么是错误。
B.拒绝作任何解释。
一、幽灵出世
量子纠缠的神秘性： （一）纠缠的主体是什么？究竟是谁在纠缠？ （二）纠缠是如何形成的？纠缠的形式究竟是怎 样的： （三）纠缠能被解开吗？怎样才能解开纠缠？ （四）如何理解纠缠过程中存在的超距作用？它 与相对论又如何结合呢？