量子纠缠

贝尔不等式的谬误与祸害

先来编造一个幽默故事作为文章的引言。有一对米你双胞患了重病，一位郎中A搞到大师B的一个“经典药方”。不过有两个条件，（1）患者客观实在，（2）双胞一方的诊治不影响对方，也不受对方处境安排的影响。前者称为实在性条件，后者称为定域性条件，这两个条件合理到可称十足废话。不料治疗无效，大师B的经典药方不容丝毫怀疑，因此郎中A断言这对双胞必定缺少定域的实在性。可以想到，这对双胞只要缺实在性或缺定域性二者之一就治疗无效，即如果他们不缺实在性，必缺定域性，反之，如果不缺定域性，那就必缺实在性。到底缺哪个，或二者皆缺，还是无法断定的。后来，另有一位郎中G搞到大师L的一个不那么经典的药方，条件（1）同前，条件（2）有所放松，把“也不受对方处境安排的影响”改为“但会受对方处境安排的影响”。结果还是治疗无效，大师L的药方更不容怀疑，他还是诺奖得主呐，于是郎中G说，否定他们的定域性还不够，还要否定他们的实在性。我们注意到，从逻辑上讲，这些郎中从治疗结果都未能否定定域性和非实在性的联合。但是，郎中A还是“倾向于”承认非定域性和非实在性的联合，叫喊这种治疗无效敲响了爱因斯坦的定域实在论思想的丧钟，宣称实验已经证实大自然存在非定域性（鬼魅隔空作用），预期这个深刻科学发现将带来一场新的技术革命。“巫婆神汉”大喜，不仅鼓励营业，还被寄予获诺奖的厚望。诺奖得主约瑟夫森说：“这些发展可以导致对像传心术等过程的解释。”

言归正传。文章标题所指的贝尔不等式起因于玻姆理论和EPR论证，约翰·贝尔说：“当考虑多于一个粒子时，研究导波理论[玻姆的量子势理论]立即导致远距离作用问题或‘非定域性’和爱因斯坦-波多尔斯基-罗森关联。”EPR论证关系到量子纠缠的解释和量子力学的完备性问题。爱因斯坦的朋友卡尔·波普尔说：“爱因斯坦，波多尔斯基和罗森（EPR）的著名论文，以我之见（为爱因斯坦1950年所确认），是设计证实一个粒子可以同时具有位臵和动量，作为反对哥本哈根诠释。”三位作者相信物理实体客观存在和量子力学描述的不完备性，他们认为：“虽然因此我们已经证明波函数不提供物理实在的完备描述，这样的描述是否存在是尚待回答的问题。然而我们相信这样的理论是可能的。”爱因斯坦在写给马克斯·玻恩的信中说：“我不能虔诚地相信[这量子理论]，因为它不能与这个思想调和，即物理应当表示时空中的实在，无鬼魅远距作用。”1964年贝尔试图引进潜变量对量子力学恢复定域因果性，他假设点粒子具有实在性和定域性，沿用经典统计方法，提出一个不等式，从而“证明”任何潜变量理论与量子力学不相容，即后人所称的贝尔定理。他说：“‘定域因果性’的显然定义在量子力学中行不通，而且这不能归于那个理论的不完备性”。后来有四位物理学家提出贝尔不等式的一个变种，称为CHSH不等式，适合于用光学实验检验。他们考虑一对偏振纠缠光子，光子各经一个偏振器达到一个探测器，用一个符合计数器记录这些探测器输出信号的符合情况。设两个偏振器的方向设臵各为A和B，实验可测量偏振关联函数E(A,B)。偏振器方向的设臵可以改变，可有(A,B)、(A,B')、(A',B)和A',B')四种情形，他们推导出的不等式为：|E(A,B)-E(A,B')+E(A',B)+E(A',B')|的值小于等于2。若取A与B'的夹角为67.5度，其余三种情形的夹角均为22.5度，由量子力学预言的值为2乘根号2（近似2.828），这个值违反CHSH不等式（小于等于2）。阿莱恩·阿斯佩克特等实验检验发现结果基本上符合量子力学预言，因此他们认定爱因斯坦的定域实在论思想是错误的。亨利·斯塔普称贝尔在量子理论上的工作是“最深刻的科学发现”。尼古拉·盖辛说：“我敢断定，几十年后，在高中里将教授贝尔不等式，因为它们的数学简单性，它们作为科学方法例子的力量和它们对我们世界观的巨大影响。”他感叹：“我们真幸运生活在物理学发现和探究大自然非定域特性的时代。”值得注意的是，2007年4月阿斯佩克特在Nature上的一篇文章中说：“我们可以选择放弃[定域性和实在性]二个观

念之一或者甚至放弃二者，在逻辑上无必然的答案。”这里他承认否定爱因斯坦的定域实在论思想不是由实验结果得出的必然结论，其否定还需有别的理由。

安什尼·乐格特考虑放松定域性而保持实在性的可能性，在2003年提出特殊一类非定域潜变量理论和不等式，其中假设一方的探测设臵会影响对方的测量结果，不管相距多远。他发现这些理论和不等式与量子力学不符。2007年塞门·格罗勃拉齐尔等实验检验发现结果违反乐格特不等式，他们的结论是：“我们的结果示意，放弃定域性观念不足以与量子实验一致，除非放弃某些直观的实在论特征。”我们注意到，CHSH不等式和乐格特不等式检验结果都未能否定定域非实在论。在格罗勃拉齐尔等的实验检验之后，阿斯佩克特特意为同时放弃定域性和实在性做了辩护。他在2007年的文章中承认“对会受远方事件影响的物理实在观念感到不安。”他说：“在爱因斯坦的许多著作中，完备描述定域于时空的体系的态的物理实在观念是清楚与相对论的不可能性相关，即物理实在不受远方事件的瞬间影响。引用爱因斯坦的说法，逃避以定域实在论方式完善量子力学的必要性‘只靠假设S1的测量会（传心术式的）改变S2的实在状态，或只靠否定空间彼此分离东西的独立实在情况，两者挑一对我[爱因斯坦]似乎都是完全不能接受的’。”阿斯佩克特表示：“我倾向于接受上面示意的那种有益激发我想象力的非定域图像，虽然我清楚知道这意味着要放弃我本来喜欢的那种实在论。”好一个“倾向”，他凭自己的倾向叫喊：“名为贝尔不等式的数学关系式的实验违反敲响了量子力学中爱因斯坦的定域实在论思想的丧钟。”看来，阿斯佩克特的理有点儿不够直，气倒还是很壮。

贝尔不等式和贝尔定理关系到量子的本性，量子本性原是一个谜团。我们深受经典力学和经典电磁学的影响，因而面对量子现象和量子力学的数学形式觉得非常奇怪，以至不可思议。从量子力学问世，海森伯，玻恩和玻尔各提出不确定原理，波函数的几率幅解释和互补原理，有力地对抗经典物理成见对新理论及应用发展的有害影响。但是在这些原理底下，还是保留着经典点粒子的观念，这种点粒子观念引起许多谜团和佯谬，以致要靠否定微观粒子的客观实在性和因果律去表面协调。如讲一个粒子既在这里又在那里，讲时间不分先后、未来影响过去，讲观察者的知觉引起一个波函数瞬间坍缩成点，讲相距无穷远的纠缠粒子有神秘的瞬间感应，更有甚者，讲薛定谔所嘲笑的既死又活的猫和观察创造实在，真的，许多专家学者公然臵简单逻辑关系于不顾，以“精神分裂”为时尚。爱因斯坦不信或不会相信此类鬼话，不愧为坚持科学精神的旗手。早在1938年，他和英费尔德在《物理学的进化》中就杨氏双孔干涉理解困难写道：“科学迫使我们创造新的观念和新的理论。它们的任务是拆除那些常常阻碍科学向前发展的矛盾之墙。所有重要的科学观念都是在[客观]实在跟我们的理解之间发生剧烈冲突时诞生的。”他们认为：“最大部分的能量集中在实物之中；但是围绕微粒的场也代表能量，不过数量特别微小而已。因此我们可以说：实物便是能量密度特别大的地方，场便是能量密度特别小的地方。但是如果是这样的话，那么实物和场之间的区别，与其说是定性的问题，倒不如说是定量的问题。”显然他们期待对实物和场有一个综合认识，这是解开量子谜团的关键。

现在我们已经有了对实物和场的综合描述，即粒子性和波动性的综合描述。数学上极其简单，物理上直接了当，由无限多个“潜波”可以叠加出极窄的、不发散的、线性的波包--初级波包，其中与粒子动量和能量相关的特征分量就是我们熟知的波函数，这种波包可以表示微观粒子的完备态（实在态）。光脉冲和德布罗意波包是那些特征分量叠加成的具发散性的次级波包，次级波包甚至可能是（准）空的，这在高度衰减束单光子探测实验中常遇到。微观粒子的初级波包模型意味着实在性、定域性、完备性和直观性。这里的潜波是量子实体的组成分，而不是参与平均的随机潜变量，贝尔型随机潜变量的统计学与量