第十一章 上帝的判决
一
|Pxz-Pzy|≤1+Pxy
嗯,这个不等式看上去普普通通,似乎不见得有什么神奇的魔力,更不用说对于我们宇宙的本质作出终极的裁决。它真的有这样的威力吗?
我们还是先来看看,贝尔不等式究竟意味着什么。我们在上一章已经描述过了,Pxy代表了A粒子在x方向上为+,而同时B粒子在y方向上亦为+这两个事件的相关性。相关性是一种合作程度的体现(不管是双方出奇地一致还是出奇地不一致都意味着合作程度很高),而合作则需要双方都了解对方的情况,这样才能够有效地协调。在隐变量理论中,我们对于两个粒子的描述是符合常识的:无论观察与否,两个粒子始终存在于客观现实之内,它们的状态从分裂的一霎那起就都是确定无疑的。假如我们禁止宇宙中有超越光速的信号传播,那么理论上当我们同时观察两个粒子的时候,它们之间无法交换任何信息,它们所能达到的最大协作程度仅仅限于经典世界所给出的极限。这个极限,也就是我们用经典方法推导出来的贝尔不等式。
如果世界的本质是经典的,具体地说,如果我们的世界同时满足:1.定域的,也就是没有超光速信号的传播。2.实在的,也就是说,存在着一个独立于我们观察的外部世界。那么我们任意取3个方向观测A和B的自旋,它们所表现出来的协作程度必定要受限贝尔不等式之内。也就是说,假如上帝是爱因斯坦所想象的那个不掷骰子的慈祥的“老头子”,那么贝尔不等式就是他给这个宇宙所定下的神圣的束缚。不管我们的观测方向是怎么取的,在EPR实验中的两个粒子决不可能冒犯他老人家的尊严,而胆敢突破这一禁区。事实上,这不是敢不敢的问题,而是两个经典粒子在逻辑上根本不具有这样的能力:它们之间既然无法交换信号,就决不能表现得亲密无间。
但是,量子论的预言就不同了!贝尔证明,在量子论中,只要我们把a和b之间的夹角θ取得足够小,则贝尔不等式是可以被突破的!具体的证明需要用到略微复杂一点的物理和数学知识,我在这里略过不谈了,但请诸位相信我,在一个量子主宰的世界里,A和B两粒子在相隔非常遥远的情况下,在不同方向上仍然可以表现出很高的协作程度,以致于贝尔不等式不成立。这在经典图景中是决不可能发生的。
我们这样来想象EPR实验:有两个罪犯抢劫了银行之后从犯罪现场飞也似地逃命,但他们慌不择路,两个人沿着相反的两个方向逃跑,结果于同一时刻在马路的两头被守候的警察分别抓获。现在我们来录取他们的口供,假设警察甲问罪犯A:“你是带头的那个吗?”A的回答无非是“是”,或者“不是”。在马路另一头,如果警察乙问罪犯B同一个问题:“你是带头的那个吗?”那么B的回答必定与A相反,因为大哥只能有1个,不是A带着B就是B带着A。两个警察问的问题在“同一方向”上,知道了A的答案,就等于知道了B的答案,他们的答案,100%地不同,协作率100%。在这点上,无论是经典世界还是量子世界都是一样的。
但是,回到经典世界里,假如两个警察问的是不同角度的问题,比如说问A:“你需要自己聘请律师吗?”问B:“你现在要喝水吗?”这是两个彼此无关的问题(在不同的方向上),A可能回答“要”或者“不要”,但这应该对B怎样回答问题毫无关系,因为B和A理论上已经失去了联系,B不可能按照A的行动来斟酌自己的答案。
不过,这只是经典世界里的罪犯,要是我们有两个“量子罪犯”,那可就不同了。当A决定聘请律师的时候,B就会有更大的可能性想要喝水,反之亦然!看起来,似乎是A和B之间有一种神奇的心灵感应,使得他们即使面临不同的质询时,仍然回答得出奇地一致!量子世界的Bonnie&Clyde,即使他们相隔万里,仍然合作无间,按照哥本哈根解释,这是因为在具体地回答问题前,两个人根本不存在于“实在”之中,而是合为一体,按照波函数弥漫。用薛定谔发明的术语来说,在观测之前,两个人(粒子)处在一种“纠缠”(entanglement)的状态,他们是一个整体,具有一种“不可分离性”(inseparability)!
一
|Pxz-Pzy|≤1+Pxy
嗯,这个不等式看上去普普通通,似乎不见得有什么神奇的魔力,更不用说对于我们宇宙的本质作出终极的裁决。它真的有这样的威力吗?
我们还是先来看看,贝尔不等式究竟意味着什么。我们在上一章已经描述过了,Pxy代表了A粒子在x方向上为+,而同时B粒子在y方向上亦为+这两个事件的相关性。相关性是一种合作程度的体现(不管是双方出奇地一致还是出奇地不一致都意味着合作程度很高),而合作则需要双方都了解对方的情况,这样才能够有效地协调。在隐变量理论中,我们对于两个粒子的描述是符合常识的:无论观察与否,两个粒子始终存在于客观现实之内,它们的状态从分裂的一霎那起就都是确定无疑的。假如我们禁止宇宙中有超越光速的信号传播,那么理论上当我们同时观察两个粒子的时候,它们之间无法交换任何信息,它们所能达到的最大协作程度仅仅限于经典世界所给出的极限。这个极限,也就是我们用经典方法推导出来的贝尔不等式。
如果世界的本质是经典的,具体地说,如果我们的世界同时满足:1.定域的,也就是没有超光速信号的传播。2.实在的,也就是说,存在着一个独立于我们观察的外部世界。那么我们任意取3个方向观测A和B的自旋,它们所表现出来的协作程度必定要受限贝尔不等式之内。也就是说,假如上帝是爱因斯坦所想象的那个不掷骰子的慈祥的“老头子”,那么贝尔不等式就是他给这个宇宙所定下的神圣的束缚。不管我们的观测方向是怎么取的,在EPR实验中的两个粒子决不可能冒犯他老人家的尊严,而胆敢突破这一禁区。事实上,这不是敢不敢的问题,而是两个经典粒子在逻辑上根本不具有这样的能力:它们之间既然无法交换信号,就决不能表现得亲密无间。
但是,量子论的预言就不同了!贝尔证明,在量子论中,只要我们把a和b之间的夹角θ取得足够小,则贝尔不等式是可以被突破的!具体的证明需要用到略微复杂一点的物理和数学知识,我在这里略过不谈了,但请诸位相信我,在一个量子主宰的世界里,A和B两粒子在相隔非常遥远的情况下,在不同方向上仍然可以表现出很高的协作程度,以致于贝尔不等式不成立。这在经典图景中是决不可能发生的。
我们这样来想象EPR实验:有两个罪犯抢劫了银行之后从犯罪现场飞也似地逃命,但他们慌不择路,两个人沿着相反的两个方向逃跑,结果于同一时刻在马路的两头被守候的警察分别抓获。现在我们来录取他们的口供,假设警察甲问罪犯A:“你是带头的那个吗?”A的回答无非是“是”,或者“不是”。在马路另一头,如果警察乙问罪犯B同一个问题:“你是带头的那个吗?”那么B的回答必定与A相反,因为大哥只能有1个,不是A带着B就是B带着A。两个警察问的问题在“同一方向”上,知道了A的答案,就等于知道了B的答案,他们的答案,100%地不同,协作率100%。在这点上,无论是经典世界还是量子世界都是一样的。
但是,回到经典世界里,假如两个警察问的是不同角度的问题,比如说问A:“你需要自己聘请律师吗?”问B:“你现在要喝水吗?”这是两个彼此无关的问题(在不同的方向上),A可能回答“要”或者“不要”,但这应该对B怎样回答问题毫无关系,因为B和A理论上已经失去了联系,B不可能按照A的行动来斟酌自己的答案。
不过,这只是经典世界里的罪犯,要是我们有两个“量子罪犯”,那可就不同了。当A决定聘请律师的时候,B就会有更大的可能性想要喝水,反之亦然!看起来,似乎是A和B之间有一种神奇的心灵感应,使得他们即使面临不同的质询时,仍然回答得出奇地一致!量子世界的Bonnie&Clyde,即使他们相隔万里,仍然合作无间,按照哥本哈根解释,这是因为在具体地回答问题前,两个人根本不存在于“实在”之中,而是合为一体,按照波函数弥漫。用薛定谔发明的术语来说,在观测之前,两个人(粒子)处在一种“纠缠”(entanglement)的状态,他们是一个整体,具有一种“不可分离性”(inseparability)!