【科学大唠嗑】量子的奥秘（15）量子理论的超距作用
科学大唠嗑
张 喆
天津市天文学会会员
天津科技馆科普辅导员
读书会共读老师
光子箱实验之后的20世纪30年代初期，实验核物理学迅猛发展起来。
1932年2月，剑桥大学物理学家詹姆斯·查德威克发现了电中性粒子，就是中子存在的证据。尽管人们当时没有立即把中子看作一种基本核粒子，但这一粒子很快就解决了很多以前没有解开的谜团。
1932年晚些时候，剑桥大学物理学家约翰·考克饶夫和欧内斯特·瓦耳顿运用线性粒子加速器首次实现了人工诱导的核反应。
就在这个时候，很多其他类型的粒子加速器也相继开发出来。在加利福尼亚，美国物理学家欧内斯特·劳伦斯开始建造一系列尺寸越来越大的回旋加速器。这些加速器能使粒子沿电磁铁形成的环形路径加速，这种加速器具有更高的效率，可以将粒子加速到更高的能量水平。
1932年，劳伦斯建造了一个磁铁的磁极面直径达11英寸，大约28厘米的回旋加速器，能够把质子加速到能量超过100万电子伏特。
与此同时，狄拉克也改变了他所谓空缺产生出质子的想法，最终在1931年承认，这个空缺与电子有着相同的质量。就这样，他提出了正电子的说法，正电子是一种实验物理学未知的新型粒子，与电子具有相同的质量和相反的电荷。
1932年至1933年，美国物理学家卡尔·安德森在做宇宙射线实验时发现了这种粒子存在的证据，将它正式命名为正电子。
1933年，狄拉克和薛定谔共同获得了诺贝尔物理学奖。委员会还宣布将1932年的诺贝尔物理学奖颁给海森伯。
1933年12月，这三位物理学家齐聚斯德哥尔摩。在获奖致辞中，狄拉克谈到他推测可能存在负质子，以及完全由反粒子构成的恒星。
1932年，爱因斯坦接受了新建立的普林斯顿高等研究所的聘任邀请。他原本打算每年在普林斯顿待五个月，其余时间则待在柏林。但是因为德国对犹太人的迫害，1932年12月离开德国后，爱因斯坦就再也没有回去。
1933年10月，他在普林斯顿安顿了下来，并且开始四处寻找头脑聪明的年轻科学家合作。俄国物理学家鲍里斯·波多尔斯基和美国物理学家纳森·罗森引起了他的注意。
这三个人的合作，推进了爱因斯坦向“量子理论完备性”发起的最新的挑战。
爱因斯坦需要找到一种物理的情境，在此情境下，能够在量子粒子的状态不受任何干扰的条件下获取量子粒子的信息。这样一来，玻尔就不能用以前用过的论点来规避爱因斯坦的质疑了。改进后的光子箱实验允许实验者选择对两种互补性可观察量中的其中一个进行精确测量，这是解决问题的第一步。
爱因斯坦―波多尔斯基―罗森思想实验，这个实验又叫做EPR悖论，或者ERP佯谬，把问题又向前推进了一步。
这个实验是对两个量子粒子中的一个进行测量。两个粒子不久前曾发生过相互作用，随后就分离开了。
咱们把两个粒子分别用粒子A和粒子B表示。粒子A的位置和动量是互补性的可观测量，根据海森伯的不确定性原理，在位置和动量两者中，测量一个必然会向另一个中引入不确定性。同样，粒子B的位置和动量也和粒子A一样。
但是，如果现在我们考虑两个粒子的位置之差，和动量之和，那么就有可能发现这些量的运算符合交换律。也就是说，原则上讲，我们可以用任意精度同时测量这些量。
关于物理实在，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森首先给出了一个看似合理的定义。如果在对系统没有任何干扰的状况下，我们能准确预测一个物理量的值，那么就存在一个与这个物理量对应的物理实在的要素。
对于每个被单独看待的粒子，准确测量它的一个物理量，比如粒子B的位置，就意味着它的动量具有无限的不确定性。因此，根据对物理实在的定义，在这些条件下，粒子B的位置是物理实在的一个要素，而动量则不是。很明显，通过选择进行不同的测量，我们就能确定粒子B动量的实在性，但不能确定它的位置。
但是，粒子A和粒子B的位置之差和动量之和却不受这种限制。假设现在允许两个粒子相互作用，并沿着相互远离对方的方向移动相当长一段距离。这时我们做一个实验，来精确测量粒子A的位置。由于位置差必须是一个物理实在的值，因此我们可以推导出粒子B的精确位置。那么根据上述定义，B的位置一定也是物理实在的一个要素。
假设换过来我们选择测量的是粒子A的精确动量的话。两个粒子的动量之和必须是一个物理实在的值，因此就必然能推导出B的动量。那么B的动量也一定是物理实在的一个要素。这样一来，粒子B与粒子A分开后，尽管我们对B没有做任何测量，但只要测量了A，就能确定B的位置或者动量，并且没有对B构成任何干扰。
哥本哈根诠释却认为我们根本就做不到这一点。
我们不得不接受一点：如果对量子理论的这个诠释是正确的，那么对另外一个完全不同的粒子的测量，会决定粒子B的物理实在，比如位置或动量，而且两个粒子间的距离可以任意远。爱因斯坦、波多尔斯基和罗森都认为：“任何对物理实在的合理定义都不允许出现这种情况。”
EPR，就是三位科学家名字首字母的缩写，ERP思想实验恰好击中了量子理论的哥本哈根诠释的要害。如果把不确定性原理应用到单个的量子粒子上，那么粒子B的位置或动量要通过测量粒子A来确定，我们就必须引入某种“幽灵般的”超距作用。
一旦测量仪器对任意距离之外的粒子产生超距作用，就违背了狭义相对论的基础，根据狭义相对论，任何超光速的信号通讯都是不可能的。爱因斯坦、波多尔斯基和罗森都认为，没必要引入这种超距作用。因为粒子B的位置和动量自始至终都是确定的，但由于波函数中没有任何内容告诉我们这些量是如何确定的，因此量子理论是不完备的。
爱因斯坦、波多尔斯基和罗森的论文题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》，刊登在1935年5月的《物理评论》上。
玻尔听说EPR论证之后就放下了手头所有的工作，他认为必须立即消除这种错误的理解。玻尔对EPR悖论的回应发表在1935年6月的《自然》杂志上，随后又在10月的《物理评论》上发表了更详尽的论述。在10月发表的论文中，他使用了爱因斯坦、波多尔斯基和罗森三人5月份用过的同样的题目。
玻尔的论文从本质上说，是对互补性及其在量子理论上应用的一个总结。他拒绝接受EPR思想实验对哥本哈根诠释造成了严重困难的说法，玻尔再次强调了把被研究物体与研究所使用的测量仪器之间必然的相互作用考虑进去是非常重要的。
实际上，玻尔认为粒子B的位置和动量可以从对A的测量中推断出来并不重要。事实很简单，我们无法构想出一套实验装置，能够满足爱因斯坦、波多尔斯基和罗森的实验要求。
如果我们能够设计出一个可以精确测量A的位置的实验，那么这个实验就不可能精确测量A的动量。如果在一个实验框架下，对于精确测量A的位置或者动量，我们根本就没有选择权，那么B的实际性质和行为也就无关紧要了。即便没有对粒子B的力学干扰，B的物理实在的要素，也是由测量粒子A时选择使用的仪器的属性所确定的。
EPR悖论把玻尔从之前还有点模糊的哲学立场，推到了反实在论的立场上。正是在这点上，玻尔不再使用“干扰”作为反击的论点，而是把注意力集中在实验设备上：实验设备本身的特点就限定了可以揭示的物理实在的类型。
物理学界许多人似乎都接受了玻尔的论文，但是，玻尔的说法却相当模糊，没有说服力。他强调了测量仪器在确定可观测的物理实在要素时起着根本性的作用，但对于这一过程在物理学上是如何实现的，却没有提出新的观点。
不管怎样，玻尔没能成功应对爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出的真正质疑。
这三位物理学家在思想实验中创建的是描述两个粒子的波函数，这个波函数允许相距相当遥远的量子粒子之间建立相互关系。进行测量就会引发这个波函数的坍缩，这个概念现在已经成为匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼的“投影假说”，是量子测量理论中不容颠覆的定律。
那么这样一种测量是否必然意味着存在超距作用呢？
当然，如果我们能以某种方式把测量仪器选择位置或者动量延迟到最后的那一刻，那么从原则上说，关于一个距离相当遥远的粒子，我们可能获得的信息似乎会发生瞬时变化。
在这种情况下，当我们选择对粒子A的某种属性进行测量时，粒子B是如何“知道”它应该展示位置还是动量的物理属性的呢？如果对A的测量能改变B的物理状态，或者A的改变能引发与B的某种交流，那么就需要存在一种超距作用。
现在，如果双粒子波函数仅反映了我们对量子系统认知的状态，那么它的坍缩似乎就未必会影响系统的物理属性。然而，波函数的坍缩要求那些物理属性变得可以在量子系统中被清楚地定义和阐述，但在坍缩前，它们是模糊的，而且无法被定义。量子理论的哥本哈根诠释中，根本没有能够解释这个问题的机制。
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“科学大唠嗑”是悦读读书会新增添的一个栏目，每周更新一次，作者是书友们所熟悉的“牧羊人”张喆老师。他曾组织过我们读书会开展天文线下活动，也是《时间简史》、《上帝掷骰子吗？》的领读者。对于科普爱好者，此栏目是一个相当大的福利。期待张老师下一次更新！