纠缠态物理世界第一谜笔记.doc

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《纠缠态：物理世界第一谜》笔记《纠缠态：物理世界第一谜》（(美)阿米尔·艾克塞尔著；庄星来译。上海科学技术文献出版社，2023.1）在“量子纠缠”实验中，此时此地发生的某种情况可以同一时刻在万里之外引起某种反映，这也许吗？我们在实验室里进行某种测量，而同一时刻，在世界的另一头，乃至宇宙的彼端，引发一个类似的行为发生，“纠缠”的双方无法逃脱地联系在一起，无论它们之间的距离多么遥远，也无论它们之间分开多长时间，它们之间的反映是瞬时的，并不需要时间。这也许吗？各种实验以确凿证据证实了，量子的这种幽灵般的诡异效应的确是自然界固有的现象。量子纠缠现象不仅被一次又一次的，不断改善的实验证实，并且引发了涉及量子通信、量子计算等应用技术的革命，甚至可以将物质粒子的状态瞬间“隐形传输”到宇宙中任何遥远的地方，实现“物体”远距离瞬间传送。量子理论挑战着传统科学理念，严重地质疑着实在（reality）观念。在彼此纠缠至虽然远隔万里却能行动一致的粒子的世界中，究竟什么叫做“实在”? 世界最具智慧的头脑：爱因斯坦不仅在192023关于光电效应原理发明了量子力学的里程碑。对量子力学的发展也作出不可估量的奉献。尽管他一直对量子物理保持极大质疑，但是，无可否认的事实是，量子纠缠等基本课题，也是随着着爱因斯坦的论争而出现的。 192023春，比利时实业家欧内斯特·索尔维突发奇想：邀请世界上最著名的科学家举办科学研讨会。19202310月末，第一次索尔维会议在布鲁塞尔的大都市饭店举办。最著名的物理学家都收到了邀请，其中涉及爱因斯坦、普朗克、居里夫人、洛仑兹等等无一例外地参与了这一场历史性的会议。会议上，玻尔和爱因斯坦就量子力学的哲学意义及物理意义进行了剧烈的争论。由于量子力学的意义与爱因斯坦的世界观有主线冲突。爱因斯坦一生始终坚信：描写自然规律的理论，必须遵循以下三个原则：第一、描写自然界基本现象的理论应当符合拟定性的原则，尽管由于人类对初始状态以及临界状态的知识还存在空白，有时候不得不借助概率来预言观测结果。第二、自然理论应当涵盖客观实在的一切构成要素。第三、自然理论应当符合定域性的原则：发生在此地的现象均由此地的客观实在要素决定，发生在彼处的现象则由彼处的客观实在要素决定。爱因斯坦和玻尔之间的关于量子力学解释的大辩论于1927年第五次索尔维会议上拉开了帷幕，量子论的所有创建者都在场：普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定诗、狄拉克。会上，“爱因斯坦简朴地陈述了他对概率解释的辩驳，别的话几乎只字未提……然后便沉默下来。”（Louìs de Broglie. New Perspectives in Physics. New York: Basic Books, 1962,）可是在酒店的餐厅里，爱因斯坦则表现非常活跃。“爱因斯坦下来进早餐时会提出他自己对新生的量子论的疑虑。每一次，他都会事先设计好一个美丽的（假想）实验，让人们看到量子论是行不通的。当时在场的泡利和海森堡只是草草应付说：‘啊，会有办法的，会有办法的。’玻尔则不然，他总是小心翼翼地把问题考虑清楚，到了大家共进晚餐的时候，再条分缕析地把难题解决掉。”（J. A Wheeler and W. H. Zurek, eds. Quantum Theory and Measurement. Princeton , NJ: Princeton University Press, 1983.）海森堡也是1927年索尔维会议上的重要人物，他也曾讲述当时辩论的情况：“讨论不久就变成了爱因斯坦和玻尔之间的对决，争论的焦点是:当时的原子理论在多大限度上可以看做是几十年来争论不休的那些难题的最终答案?我们一般在酒店用早餐的时候就见面了，爱因斯坦会在用餐时描述一个抱负实验，他认为这样的实验可以显示出哥本哈根学派解释的内在矛盾。”（Wheeler and Zurek, 1983.）玻尔往往要用一整天的时间去考虑如何回应爱因斯坦的质疑，到了傍晚，他便将自己的观点说给他的量子论同道们听。吃晚饭的时候，他会给爱因斯坦一个答案，回应早上提出的问题。虽然爱因斯坦无法辩驳玻尔的分析，但他的心里并不服气。据海森堡回忆，爱因斯坦的好朋友保罗·埃伦费斯特曾对爱因斯坦说：“我为你感到羞愧。你现在的样子，就跟当初千方百计反对你的相对论的那些人同样，都是徒劳的。” 支持和反对量子论的争论，在1930年的第六次索尔维会议上变得更加剧烈。酒店的走廊和餐桌都成为他们辩论的阵地。在吃早餐的时候，爱因斯坦设计了一个“思想实验”：在一个箱子摆放了放射物，箱子的重量是通过测量的。箱子上有一小孔，由一时钟控制。若有光子自孔中逸出，逸出之时间可以从时钟得到，其精确度可以做到任意地小。运用光子放走前后箱子的重量差，便可以从爱因斯坦的公式E=mc2得出逃逸的光子的能量。这样，时间与能量都可以测得很准，推翻了时间与能量的测不准原理。玻尔也参与了这次会议。听了爱因斯坦的思想实验后，当时的与会者们看见玻尔惊呆了，他一时不知该如何回应爱因斯坦对量子论发起的挑战。整个晚上，玻尔闷闷不乐，四处求援，想让大家相信爱因斯坦得出的结论不也许是真的：可是如何才干驳倒爱因斯坦呢?玻尔说，假如爱因斯坦是对的，物理学的末日就到了。他想了又想，就是没法驳倒爱因斯坦巧妙的推论。物理学家莱昂·罗森菲尔德也参与了这一次会议，他说：“我永远忘不了那两位对于离开会所时的情景：爱因斯坦身影高大威严，脸上带着一丝嘲弄的笑意，一言不发地走着，玻尔一路小跑，紧随其后，神情激动。”当晚一夜苦思，玻尔终于在爱因斯坦的推论中找到了破绽：假如要测盒子重量，须要用秤。故光子之逸出前后，盒子之高低位置便有一个不准度。再根据爱因斯坦的广义相对论，这又就会导致时钟读数的不准确。计算结果正好可以满足测不准原理的规定。爱因斯坦没有考虑到，测量箱子的重量即是观测它在引力场中的位移，箱子的位移导致箱子的质量无法准确测定，从而光子的能量也无法拟定。且当箱子发生位移的时候，箱子里的时钟也随之发生位移，因此时钟所在的引力场发生了轻微的变化，已不是起初的那个引力场了。时钟在发生位移后的快慢与测量行为发生前是不同的，因此光子逃逸的时间同样是不拟定的。这下玻尔证明了能量和时间之间的不拟定性关系恰恰和不拟定性原理所预言的一般无二。时钟在不同引力场中快慢不同，这正是广义相对论的一个重要内容。玻尔巧妙地用相对论证明了量子力学的不拟定性原理。（Abraham Pais. Niels Bohr's Times. Oxford: Clarendon Press. 1991.）然而，争论仍在继续。爱因斯坦身为量子论创始人之一，对量子论的本体意义有着深刻的洞见。爱因斯坦参与了1933年的索尔维会议，他再次对量子论发起挑战。他问罗森菲尔德：“你怎么看这样一种情况：假设有两个粒子，我们让它们以相同的巨大动盘相向飞出，它们在通过某个己知位置的瞬间会发生互相作用。现在来了一位观测者，他在距离互相作用位置很远的地方捉住其中一个粒子，测出它的动量;然后他显然可以根据该实验的条件推出另一个粒子的动量。假如他测量的是第一个粒子的位置，那么也就可以推算出另一个粒子的位置了。这是可以直接由量子力学原理推出来的对的结论；可这里面难道不是自相矛盾的么？在两个位子之间不存在任何互相作用的情况下，对第二个位子的测量行为怎么可以影响到第二个粒子的最终状态呢？” 这就是爱因斯坦向量子力学提出的最具本体性的质疑，过了两年，著名的“EPR论文”发表以后，科学界才进一步理解爱因斯坦论述的深刻意义，整个物理学界真正震撼了。1934年，他与加州理工结识的波利斯·波多斯基（BorisPodolsky）及普林斯顿大学为他安排的助手，美国物理学家内森·罗森（NathanRosen,1910-1995）三人合作撰写了质疑量子理论的最后一篇论文：《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》，发表在1935 年5 月15 日出版的美国《物理学评论》 ( Physical Revìew)，47卷，777-780 页。原文Albert Einstein, &ris Podolsky, and Nathan Rosen, “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete？”Physical Revìew，47，777-780 .1935）简称“EPR论文”其中“EPR”是Einstein－Podolsky－Rosen爱因斯坦－波多斯基－罗森三人的简称。EPR论文的观点震动了全世界。在这篇文章里，爱因斯坦等三人用“纠缠态”来质疑量子理论的完备性，发出对量子力学不完备的最有力指控。（《爱因斯坦文集·第一卷》，许良英、范岱年编译，商务印书馆出版，1976年1月，328—335页，《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》） EPR论文用想象的量子纠缠实验质疑量子理论的完备性：假定有两个电子，相撞后向相反方向飞去。在它们相距很远的时候，对其中之一测其动量。运用动量守恒定理，另一电子之动量也可就此决定了。由于两电子距离甚远，故第二个电子在未受任何干扰(withoutinanywaydisturbingthesystem)之下，拟定了其动量值。第二个电子之动量在未受干扰之情况下，其值可以完全拟定（这样的值，EPR定义为“物理现实之一个成份”anelementofphysicalreality.）。假如改变主意，不去测第一个电子之动量，或测其位置而不测动量，第二电子仍然未受干扰，其动量值也没有理由改变。可见这动量值是第二个电子自身就有的属性，与第一电子之遭遇无关。同样的道理，也可说第二电子之位置或能量也是其自身就有的属性，其值也可拟定，假如要测，可用质量中心或能量守恒定理，但不必要测。这样，位置与动量的测不准原理被打破了。但这不是重点，重点是：在未做任何测量以前，位置、动量、能量等各种物理量的准确值早就存在了，而量子力学之Ψ并未完全包含这样的信息。EPR──的结论是：量子力学没有完整地描述物理现实(physicalreality)，故不完整。远在苏黎世的量子论的奠基者之一，原子中电子的“泡利不相容原理”发现者沃尔夫冈·泡利跳了起来。他给海森堡写了一封长信，信中说“爱因斯坦又出来批评盘子力学了，就发表在5月15日的《物理评论》上（是跟披多斯基、罗森联合撰写的——不是很好的组合）。众所周知，他一开口准有一场劫难。”泡利非常紧张，生怕美国学界会因此反对量子论。泡利建议海森堡火速撰文辩驳，由于他的不拟定性原理正是EPR论文袭击的焦点。尼尔斯·玻尔像被雷电击中同样，大惊失色，手忙脚乱，并且十分恼火。据罗森菲尔德回忆，EPR论文一发表，玻尔立即放下手头的一切工作。他觉得这里面的误解必须立即澄清，越快越好。玻尔建议就用爱因斯坦的实验来说明应当如何对的理解量子论。玻尔激动不已，开始一字一句地告诉罗森菲尔德该如何回应爱因斯坦。不一会儿，他停下来，说：“不，这样不行……我们得重来……得把问题讲清楚……”罗森菲尔德说，玻尔就这样跟他讲了很久；其间，玻尔不时打住，回头问罗森菲尔德：“这会是什么意思？你明白这意思吗？”他翻来覆去地思考，却找不到头绪。最后说“必须带着这问题去睡觉”了。接下来的几个星期，玻尔渐渐安静下来，已经可以安心撰写辩驳EPR的论文。通过三个月的艰苦工作，玻尔终于把回应EPR的论文提交给《物理评论》杂志。他在文中写道：“我们无妨采用EPR中提出的实验，问题只是在于如何将不同的实验环节区别开来；在不产生歧义的前提下，不同的实验环节是可以用互补的经典概念来描述的。” 此文的重点似乎是批评EPR原文中所用的词句定义不清楚，特别是“未受任何干扰”(withoutinanywaydisturbingthesystem)。玻尔的意思似乎是：两个电子相距再远，测量其中之一，也会影响到另一个。爱因斯坦对这说法大不认为然，称之为“幽灵般的超距作用”(spookyremoteeffect)。依量子力学理论，对一个粒子的测量行为会同时改变另一个粒子的物理特性，不管两个粒子相隔多远和分离了多长时间；爱因斯坦认为这种“幽灵般的超距作用”，是非常荒诞的，决不也许存在于自然界中，假如量子力学体系的数学分析中推导出如此荒唐绝伦的结论，那么量子力学一定不能成立。薛定谔则给它起了一个有戏谑意味的名号：“量子纠缠”。一个粒子一旦与另一粒子有了关系，以后不管它逃到天涯海角，这关系再也摆脱不掉，仿佛是一场男女之间你追我躲的爱情纠纷。假如量子纠缠是对的的，会产生两个问题，非局域性(non-locality)与瞬时及远(instantaneousactionatadistance)：第一，所有的古典物理都相信局域性（locality）：两个系统假如相距够远，两者之间之互相影响可以不计。但量子纠缠显然违反了它。第二，爱因斯坦的狭义相对论也是最成功的物理理论之一。其中一个结论是任何讯号（signal，信息之传递）速率皆不可超光速。但这“幽灵般的超距作用”是瞬时及远的，速率竟是无限大，两个粒子的关联行为是瞬时发生，并不需要时间。 EPR是爱因斯坦与玻尔在量子诠释上的最后一次论战。 EPR论文究竟说了什么？爱因斯坦、波多斯基和罗森认为，假如一个物理系统的某种特性可以被准确地预测，同时该系统又不被影响，那么这种特性就可算是“构成物理实在的一个要素”。EPR还认为，对物理系统的“完备”的描述，必须能体现与该系统有关的一切物理实在要素。爱因斯坦的实验跟他两年前说给罗森菲尔德的实验基本相同。两个粒子彼此相联，这就是说其中一个粒子的位置和动量可以透过对另一个粒子的测量而得到，第一个粒子完全不受干扰。因此该粒子的位置和动量两个物理特性都是构成物理实在的要素。由于量子力学不能同时描写这两种特性，所以量子论是不完备的。 EPR论文以及后来为它设计实验的贝尔定理，是20世纪科学史上最重要的论文之一。它宣布：“要是对于一个体系没有任何干扰，我们可以拟定地预测（即几率等于1）一个物理量的值，那末相应于这一物理量，必然在在着一个物理实在的元素。我们觉得，这个判据虽然远远不能涉及尽一切结识物理实在的也许办法，但只要具有了所规定的条件，它至少给我们提供了这样的一种办法。只要不把这判据当作是实在的必要条件，而只当作是一个充足条件，那末这个判据同古典的以及量子力学的实在观念都是符合的。”（（《爱因斯坦文集·第一卷》，《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》许良英、范岱年编译，商务印书馆出版，1976年1月，329页》原文A Einstein, B. Podolsky, and N. Rosen，“Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete？”Physical Review，47 , (1935) , p.777.） EPR随后便开始描述纠缠态。这些纠缠态非常复杂，由于它们包含了两个位子的位置和动量，这两个位子曾发生过互相作用，所以彼此之间是相关的。EPR重要描述了有关位置和动量的量子纠缠现象，之后他们总结道：“我们假定Ψk和 φr的确是不i'f对易算得P 幸Il Q 的本征函数，并且分别相应子本征饱问有1 q " 那末，在对第三个体系不作任何干拢的情况下，通过量度A 或者B ，我们就能拟定地预知量P 的缸( llP P. ) ，或者最Q 的恒 ( 即q，)。依照我们关于实在性的判据r 我们必须认为，在第---种情形下，量P 是一个实在的元素;而在第二种情形下，量Q 是一个实在的元素。但是.如我们所看到的，波动因于同)实在。 f.1止我们证明了5 要末，(1)于波动函数所作的关于实在的量子力学的描远是不完备的;要末， ( 2) 当相应于两个物理量的算符是不可对易的时候，这两个量就不也许同时具有实在怪。因而，从波动函数是给予物理实在以完备的tâi远这一假定出发，我们就得到了这样的结论t 相应子不可对易算符的两个物理量，是可以同时具有实在性的。于是，否认了〈川，就导致了对唯一的另→也许选捧(2)的否认。由此，我们不得不作由这样的结论:波动函数所提供的关于物理实在的量子力学描注是不完备的。” 这样，通过对A或者B的测量，我们便可以在不干扰另一粒子的情况下拟定地预测出它的P值或者Q值。根据我们给客观实在定下的标准，测量P时P就显示为客观实在的一个要素，测量Q时Q就显示为客观实在的一个要素;我们已经知道，这两个波函数是同属于一个物理实在的。前面已经证明了问题只也许出在以下两方面(两者必居其-):(1)用波函数来描写客观实在的量子力学是不完备的;(2)用于测量这两个物理量的算子若不遵守互换律，那么这两个量就不也许同时成为物理实在·…..所以我们只能得出一个结论:用波函数来描写客观实在的盘子力学是不完备的。（《爱因斯坦文集·第一卷》《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》许良英、范岱年编译，商务印书馆出版，1976年1月，334—335页。原文A Einstein, B. Podolsky, and N. Rosen，“Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete？”Physical Review，47 , (1935) , p.777.）爱因斯坦等λ的推论是基于一个看似非常合理的假设:定域性假设。一个地方发生的现象不也许即时影响到另-个地方的现象。EPR说..假如我们可以在不干扰系统的前提下预测出该系统一个物理量的拟定值(即概率等于1)，那么该物理量就可以代表物理实在的一个构成要素。"在测量粒子1的位置时，上述条件可以满足;在测量粒子1的动量时，上述条件也可以满足。通过这两种测量行为，我们可以拟定地预言出粒子2的位置(或者动量)。因此可以推断它存在着这个物理实在要素。既然粒子2没有受到对粒子1的测量行为的影响〈这是EPR的假设)，那么一个实验说明粒子2的位置是物理实在要素，另一个实验则说明粒子2 的动量是物理实在要素，从而位置和动量都是属于粒子2的物理实在要素。于是就产生了EPR"佯谬"。两个粒子是彼此相关的，测量其中一方便可得知另一方的状态，量子理论能推出这样的结论，说明量子论是不完备的。玻尔在他的辩驳中说"在我看来，他们也PR)的思绪和原子物理学中的真实情况并不完全吻合。"他认为EPR"佯谬"并不会真的威胁到量子理论在实际物理问题中的应用。大多数物理学家似乎批准他的观点。爱因斯坦1948年和1949年的论文又回到了EPR问题上，但是在他1955年逝世以前，他用了大部分的精力来创建一套统一的物理学理论，可惜没能成功。他始终不愿相信上帝会掷假子-一始终不认为基于概率性的盘子力学是完备的理论。他觉得盘子力学中一定缺少了一些东西，某些可以更好地解释客观实在的变量被忽略了。难题尚未解决:在同一个物理过程中生成的两个相关粒子，永远彼此相联，它们的波函数无法分解成两个因式。其中一个粒子发生任何状况，另一个粒子必然同时发生相应改变，元论它们各自飞到宇宙的哪个角落。爱因斯坦称其为 “幽灵般的超距作用”。玻尔始终没有忘掉他和爱因斯坦之间的争论。直到1962年去世的那一天，他还在谈论那些问题。为了让科学界接纳盘子理论，玻尔拼尽了全力，他把每一次对量子论的袭击都视为对他个人的袭击，认真地去应对。大多数物理学家认为坡尔最终摆平了盘子论的争议，击败了EPR。但是，问题远远没有解决。爱因斯坦坚持的传统物理观念，例如存在着与观测者无关的客观实在观念；“发生在此地的现象均由此地的客观实在要素决定，发生在彼处的现象则由彼处的客观实在要素决定”的定域性原则是否对的？“幽灵般的超距作用”是否真的存在？两个相关粒子，永远彼此相联，两者之间发生的作用真的超越时间和空间限制吗？能否实际建立一个物理实验，一个决定性的实验，得出的确的结论，最终证实以上结论是对的还是错误？假如有了结论，那么，对于物质、实体；对于什么是物理实在、什么是存在；对于宇宙万物的主线观念，应当作出什么重大修正？二十年后，爱因斯坦的主张由另一位物理学家再度提出，并得到了改善。戴维·波姆在普林斯顿大学研究量子力学的哲学问题，1952年取得了EPR 问题上的突破。波姆修改了爱因斯坦的实验设立，令EPR"佯谬"中的问题变得清晰、简洁、容易理解当时物理学界有人认为 EPR实验中的粒子也许并非真的发生纠缠，也有人认为粒子间的量子纠缠会随着距离的增大而消失;波姆和阿晗朗诺夫的论文指出这两种观点都是不对的。此后，所有的相关实验都证明:粒子纠缠是真实的物理现象，纠缠现象不会随着距离的增大而消失。爱因斯坦等人对这个描述不满。在他们看来，量子力学只能做出几率性的预言，是由于理论中缺少了某些变量。一旦这些变量被补充进去，量子力学就可以升级成一个符合决定论观点的理论。这些变量是什么？不知道，所以称为隐变量。 1959年，被姆和阿晗朗诺夫发现了A-B效应CAharonov-Bohmeffect)，两人都因此而成名。A-B效应是一种神秘的现象，就像纠缠态同样，具有非定域性的特点。波姆和阿晗朗诺夫发现，电子通过的途径上电磁场场强为零时也会产生电子干扰中的相移。这就是说，假如一个圆柱体内部有一个电磁场，且电磁场完全被封闭在圆柱体内部，从圆柱体外面飞过的电子却仍然会跟里面的电磁场发生感应。因此，从圆柱体外面通过的电子会神奇地受到封闭在柱体内部的磁场的影响。 A-B效应也成了量子力学的一个谜，没有人真正明白"为什么"会这样。它跟纠缠态同样，都有非定域的特质。波姆和阿哈朗诺夫是用数学的方法从理论上推导出这种效应的。许数年后，A-B效应才被实验证明出来。波姆的研究大大推动了我们对盘子论和纠缠态的理解。此后几十年中，实验物理学家和理论物理学家总是最喜欢用波姆版的EPR假想实验来研究纠缠态。不仅如此，1957年波姆和阿哈朗诺夫还提出了验证EPR佯谬的一个重要条件。他们指出，要想证明EPR位于是否会像爱因斯坦等人所反对的那样运动，就必须采用延迟决定装置。也就是说，实验员必须是在粒子飞出"以后"才决定要测量哪一个自旋方向。只有这样设计的实验才干保证其中一个粒子(或者实验仪器) 不会"告知"另一个粒子到底发生了什么事。后来，约翰·贝尔也强调了这个条件，他提出的定理将改变我们对"实在"的结识。尚有一位重要的实验物理学家会将这个条件用到验证贝尔定理的实验中，进一步证实相距遥远的粒子之间的纠缠是一种真实的物理现象。玻姆否认了定域性，但认为量子纠缠和A-B效应的非定域性的现象是由于隐变量导致的，例如量子势。 20世纪30年代初，冯·诺依曼来到普林斯顿大学的高级研究所。他的量子力学著作成了量子研究者们不可或快的工具，同时也是有关量子力学的数学原理的重要论述。 "冯·诺依曼在书中提出一个重要的观点：使量子力学解释趋于完备的所谓"隐变量理论"是不存在的，主线不存在能使每一个被观测的最都具有拟定值的隐含变量。他对这个命题的论证在数学上完全对的，但是该命题的一个基本前提从物理学角度上看却是有问题的。约翰·贝尔在欧洲原子能研究中心的办公时间所有用于研究理论粒子物理学和加速器设计，因此他只能运用在家休息时间来从事他的哑余爱好"一一探索盘子论的基本问题。1963年，他休了-年假，离开欧洲原子能研究中心先后去了斯坦福大学、威斯康星大学和布兰德斯大学。贝尔就是在这一年旅居国外的诗学过程中真正开始探索量子论的核心问题的。在美国休假时，贝尔的研究有了突破，他发现约翰· 冯·诺依曼的量子论假设中有一处错误，但没有人怀疑过约翰·冯·诺依曼的才华一一他是第一流的数学家，甚至可以说是天才。在数学方面，贝尔跟冯·诺依曼也没有什么争议。问题是出在数学和物理的交界处。冯·诺依曼在他那本讨论量子论基本原理的奠基之作中有一个重要预设，后面的一系列推论都基于此;约翰·贝尔认为这一预设从物理学角度看是不成立的。冯·诺依曼在他的量子论著作里预设几个可观测的量之和的预期值等于其中每一个可观测的聋的预期值之和。E用数学语言表达就是:若A，B,C,… 为可观测量.EO为预期算子，冯·诺依曼认为很自然可以得出下列等式:E(A+ B十C+…)=E(A)十E(B)+E(C)十…】约翰·贝尔知道这个预设貌似合理，但是假如其中的可观测量A，B,C，…是用不一定符合互换律的算子来表达，那么此预设的物理意义就说不通了。用不太精确的非数学语吉来说，冯·诺依曼似乎是忽略了不拟定性原理及其推论，由于根据不拟定性原理，不遵守互换律的算子是不能同时准确测知的。，贝尔证明了冯·诺依曼所用的预设是不恰当的，从而其结论也是有问题的。贝尔又一次提出了量子论是否存在隐变量的问题，接着他更进一步，瞄准了EPR问题和盘子纠缠。贝尔读过爱因斯坦、被多斯基、罗森三人于1935年联名发表的论文，该文对盘子论提出了挑战，事情已通过去30年了。玻尔等人对EPR已做出回应，物理学界几乎人人都相信问题已经解决，爱因斯坦的观点是错的。但是贝尔不这么看。约翰·贝尔发现了当年EPR论争中的一个重要事实:他"知道"爱因斯坦等人其实是对的。众人皆谓"EPR佯谬"，但其实它主线不是什么佯谬。爱因斯坦等人事实上是发现了→些关系到我们对宇宙的理解的重要问题，但问题不在于量子论不完备，而在于量子力学眼爱因斯坦所坚倍的实在论和定域论无法并存。假如量子论是对的的，定域论就不对的F假如我们坚持定域论，那么量子论对微观世界的描述就会出问题。贝尔将这一结论表述为一个深奥的数学定理，由不等式构成。他指出，假如实验结果违反了他的不等式，那么就可以证明量子力学是对的的，而爱因斯坦对定域实在性的常识性的预设是不对的的。假如实验结果符合他的不等式，那么就可以证明量子论是错误的，而爱因斯坦所持的定域性观点是对的的。更准确地说，实验结果也许既违反贝尔不等式，又违反量子力学，但是绝不也许既符合贝尔不等式，又符合量子力学对某些量子态的描述。约翰·贝尔写了两篇具有开创性的论文。第一篇论文分析了冯·诺依蛊等人的观点，他们都讨论了隐变量是否存在的问题，即是否存在爱因斯坦等人所说的那种能使量子论变"完备"的隐变量。约翰·贝尔在论文中一方面证明了由冯·诺依曼等人提出的、用于论证隐变量不存在的定理都是不严密的。接着贝尔证明了自己的定理，真正说明了隐变量是不存在的。由于发表时间的延误，贝尔的这篇重要论文1966年方才面世，出现在他撰写的第二篇论文之后。他的第二篇论文发表于 1964年，题目叫《论爱因斯坦-波多斯基一罗森佯谬>>，此文提出了影响深远的"贝尔定理"，它改变了我们对量子现象的结识。贝尔采用了EPR佯谬的一种特殊形式，也就是经戴维·波姆CDavidBohm) 简化改良过的EPR实验。他考察了从一个粒子发出的处在单态的两个互相纠缠的1/2自旋粒子，分析这个实验会产生什么结果。贝尔在文中说，EPR佯谬已经发展成为论证盘子论不完备、必须补充其他变量的依据。EPR认为，有了那些额外的变量，量子力学便可找回那失去的因果概念和定域性概念。贝尔在一条注解中引用了爱因斯坦的话:[27] 但我认为，我们应当牢牢抓住一个预设z假如系统队和系统S2相隔甚远，系统sz的真实状况是不会因系统S1受到扰动而改变的。贝尔表达，他要以数学的方法来说明爱因斯坦的因果观和定域观与量子力学的表述是不能共存的。他进而又说，正是定域性规定一一即一个系统的状态不应受到与之相距甚远、曾经发生互相作用的系统状态的影响一一导致了主线的困难。贝尔的论文提出了一个选择定理(theoremofalternatives):或者定域隐变盘是正确的，或者量子力学是对的的，但两者不也许都对的。假如量子力学是描述微观世界的对的理论，那么非定域性(non-locality)就是微观世界的一个重要特性。贝尔一方面假设量子力学是可以由某种隐变盘结掏来补足的，就像爱因斯坦所规定的那样。那么，这些隐变量必然带有量子力学所缺少的信息。实验中的两个粒子带有一个指令集(instructionset)，会提前告诉粒子在不同情况下应当如何行动，也就是说，让粒子知道每次选定的测量轴是什么方向。在这种假设下，贝尔推出了一个矛盾的结果，可以说明量子力学是不也许用隐变量来补充的。贝尔定理可以用一个不等式来表达，不等式中的S表达两名实验员爱丽丝和鲍勃的测量结果的总和。贝尔不等式为:一2<S<2 该不等式可以表达为下图。贝尔在1964年，发表了一篇《论EPR诡说》的论文。文中用了粒子自旋这种简洁方法来考察量子纠缠：两粒子各有1/2的自旋，假定总自旋为零，它们的相撞后分开，总自旋应守恒。故测量其中之一的自旋，就可决定另一粒子之自旋。量子力学不允许各方向（如x方向与y方向）的自旋同时被测定。用类似EPR本来的论证，可以导致矛盾。(自旋1/2之粒子，在任何方向之自旋，本征值只有两个，即＋1和－1，且不必考虑粒子之运动。贝尔考虑：测量第一粒子在a方向之自旋及第二粒子在b方向之自旋(测得之值非＋1即－1)。令测得结果之相关系数（即两值相同的或然率减去两值不同的或然率）为C（a，b）。他证明：假如每次测量之结果为某种隐藏变量决定(也就是量子力学不完整)，对三个任意方向a，b，c，有以下关系： ∣Pxz－Pzy∣≤1＋Pxy 此式被称为贝尔不等式。但假如量子力学是对的：C（a，b）=－a·b＝－cosqab，不难找出一组a，b，c违反这个不等式（例如：qab=qbc=60°，qac=120°）。由于相关系数是可以测的（用多次同样方法之测量，取其平均值），故贝尔不等式提供了检查量子力学是否完整的一个实验方法。这个实验不久就有人尝试去做。到了1980左右，终于有了结果（A.Aspect,etal,1982）：贝尔不等式被违反了。量子力学（或哥本哈根诠释）又胜利了。然而，假如量子力学是对的，则量子纠缠随之而来，势必放弃局域性作为代价。这些实验引发新一轮的应用技术革命：量子远传（QuantumTeleportation）、量子信息（QuantumInformation）、量子密码（QuantumCryptography）、量子计算(QuantumComputation)等新兴技术相继出现。根据贝尔定理，假如实验结果不符合上述不等式(即在真实的纠缠粒子实验中爱丽丝和鲍勃的测量结果的总和大于2或小于一2)，那么这个实验就可以证明非定域性的存在，也就是说其中一个粒子的状况的确可以同时影响另一个粒子的状况，无论两个粒子之间的距离有多么遥远。现在就等实验家们去寻找这样的实验结果了。但是，这里尚有一个问题。贝尔由定域性预设推导他的不等式，是运用了一个特殊的假设。他假设隐变量理论完全符合量子力学对成对单态粒子的预测:无论自旋轴取什么方向，对于同一条自旋轴，粒子1的自旋总是与粒子2相反。因此，假如实验值与贝尔不等式数值的量子力学预测相符，这个发现仍无法说明定域性预设是错误的，除非可以先找到证据证明贝尔所用的特殊假设是对的的;这样的证据在实践中很难找到。这个问题最终导致了实验测试上的障碍。以后，克劳瑟 (Clauser)、霍恩(Home)、西摩尼(Shimony)将会对贝尔定理进行拓展和完善，从而解决这一技术问题，使贝尔不等式能用于真实的物理实验。不管怎么说，贝尔定理的结论就是:隐变盘假设和定域性假设在量子论中都不能成立，量子论与这两种假设是不能共存的。因此，贝尔定理是物理学上非常有力的理论成果。有一回西摩尼问我:"你可知道为什么贝尔可以重拾EPR佯谬，又证明出能使非定域性跟量子论融为一体的定理?"接着他说"结识约翰·贝尔的人都知道，只有他可以，换了谁也不可以。贝尔是个非常特别的人，他严谨好学，意志顽强，并且敢作敢当。他的性格比别人更坚强。他敢跟本世纪最著名的数学家约翰·冯·诺依曼较劲，还毫不踌躇地指出冯·诺依曼的预设是错的。然后又跟爱因斯坦较上了劲。" 爱因斯坦等人认为，空间距离遥远的系统之间的纠缠态是令人难以相信的。一个地方发生的情况怎么也许同时影响到远在天边的另一个地方的状况?约翰· 贝尔却可以超越爱因斯坦的直觉，建立一个伟大的定理，从而引出一系列物理实验，使量子纠缠终于被确立为真实的现象。贝尔原本是支持爱因斯坦的定域性观点的，但他要借实验来证明这个观点究竟是对是错。约翰·贝尔1990年因脑出血忽然去世，享年62岁。他的死是物理学界的一个重大损失。贝尔在他最后的日子里仍然积极从事研究工作，不断地撰写论文，开课讲学，探讨量子力学、EPR假想实验以及他自己的定理。三十数年来，贝尔定理一直受到物理学界的关注;事实上，今天的物理学家们仍在不断思考贝尔定理对时空本质以及量子基本原理的深刻启示。关于贝尔定理的种种实验几乎无一例外地提供了元可辩驳的证据，表白量子论是对的的，盘子纠缠和非定域性都是真实存在的。纠缠态世界第一谜1章： 1968年的一天，物理学家阿伯纳·西摩尼CAbnerShimony)独坐于波士顿大学的办公室中，他着了魔似的被一篇论文给吸引住了，这篇论文发表在一家不起眼的物理杂志上已有两年。论文的作者是爱尔兰籍的物理学家约翰·贝尔Oohn Be!l)，在日内瓦从事研究工作。很少有人可以真正理解贝尔的想法，也没有多少人真正想去理解他，而西摩尼恰恰是这少数人中的一员。他知道贝尔在那篇论文中所阐述和证明的原理，可以用于证实两个粒子能否发生远距离协作。正巧，就在此前不久，他的同事:波士顿大学的查尔斯·威利斯(CharlesWillis)专家问他愿不乐意收一位名叫迈克尔·霍恩CMichaelHorne)的学生做博士生，指导其记录力学方面的博士论文。西靡尼答应见一见这位学生，但并不太想在任教波士顿大学的头一年就带博士生.他说自己在记录力学方面实在提不出什么好的研究论题。但是，他拿出了贝尔的论文，由于他觉着霍恩也许会对量子力学的基本原理感兴趣。结果，就像西摩尼描述的那样，"霍恩非常聪明，他一下子就发现了贝尔提出的问题大有文章可做。"迈克尔·霍恩把贝尔的论文带回家去研究，同时开始借助贝尔的原理着手设计实验。无独有偶z在纽约的哥伦比亚大学里，约翰·克劳瑟OohnF.Clauser)不约而同地在研读贝尔的这篇论文。他也被贝尔提出的问题所吸引，并且发现了实验的也许性。克劳瑟读过爱因斯坦、波多斯基、罗森三人共同发表的论文，认为他们的想法非常有道理。贝尔的理论显示了量子力学与爱因斯坦及其同事所提出的盘子力学"定域隐变量"解释之间的分歧，而这种分歧是有也许用实验来显示的，克劳瑟为此雀跃不已。虽然他对实验的可行性尚有怀疑，但他遏制不住检查贝尔预言正确性的欲望。当时他还是研究生，昕过他的想法的人都劝他放弃这个念头，老诚实实地拿他的博士学位，不要钻进科学幻想里去。然而，克劳瑟比别人更加清楚，量子力学之门的钥匙就藏在贝尔的论文中，他决心要找到它。大西洋彼岸。数年后，阿莱恩·阿斯派克特(AlainAspect)在奥塞的巴黎大学光学研究中心底层的实验室里忙得不亦乐乎。他想率先实行一项别出心裁的实验:证明分别位于实验室两端的两个光子可

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