百科网

首页 > 文化教育 > 科学探索

科学探索

EPR悖论得到原子云的验证

科学探索万象经验2023-07-19

在1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森发表了一篇著名的论文,提出了一个思想实验,用来质疑量子力学的完备性和一致性。他们考虑了一个由两个粒子组成的系统,这两个粒子之间存在着量子纠缠。也就是说,它们的状态不能分别描述,而只能用一个总体的波函数来描述。

如果我们把这两个粒子分开到很远的地方,然后在其中一个粒子上进行测量,我们就可以知道另一个粒子的状态,因为它们之间有关联。比如,如果我们测量第一个粒子的自旋,我们就可以知道第二个粒子的自旋;如果我们测量第一个粒子的动量,我们就可以知道第二个粒子的动量。这样看起来没有什么问题,但是如果这两个粒子的距离太远,那么就可能存在超光速的情况。

爱因斯坦等人认为,问题出在了量子力学本身。他们认为,量子力学没有给出系统真正的状态,而只是给出了我们能够观察到的概率分布。他们认为,在测量之前,每个粒子都有自己固有的状态,只是我们不知道而已。这样一来,当我们测量第一个粒子时,并没有改变第二个粒子的状态,而只是揭示了它本来就有的状态。这种观点被称为局域实在论,它假设每个系统都有自己固有且独立于观察者的属性,并且空间分离的系统之间不会相互影响。

但是,如果我们接受了局域实在论,我们就必须放弃量子力学的另一个基本原理:量子叠加原理。这个原理告诉我们,一个系统可以处于多个可能的状态的叠加,而不是一个确定的状态。只有当我们对系统进行测量时,它才会塌缩到一个特定的状态。这就意味着,在测量之前,系统的状态是不确定的,而且测量会影响系统的状态。

如果我们把这个原理应用到两个纠缠的粒子上,我们就会得到一个与局域实在论相矛盾的结果:当我们测量第一个粒子时,我们不仅改变了它的状态,也改变了第二个粒子的状态,即使它们相隔很远。这种现象被称为量子纠缠,它表明两个粒子之间存在着一种非经典的关联,超越了空间和因果性的限制。

这就是EPR悖论:要么我们放弃局域实在论,接受量子力学的完备性和一致性;要么我们放弃量子力学的叠加原理,寻找一个更完备的理论来描述系统的真实状态。爱因斯坦等人倾向于后者,他们认为量子力学是不完备的,而存在着一些隐藏变量来决定系统的真实状态。

但是,这个问题并没有那么简单。在1964年,贝尔证明了一个重要的定理,它告诉我们,如果存在着隐藏变量来描述系统的真实状态,那么它们必须满足一些不等式,这些不等式限制了两个系统之间可能出现的关联程度。如果这些不等式被实验上观察到被违反了,那么就意味着隐藏变量理论是错误的,而量子力学是正确的。

那么,如何在实验上检验EPR悖论和贝尔不等式呢?我们需要准备一对纠缠的粒子,并把它们分开到很远的地方。然后,在每个粒子上进行一系列不同的测量,并记录下测量结果。最后,比较两个粒子之间的关联程度,并判断它们是否超越了贝尔不等式所允许的范围。