08 量子纠缠：世界存在鬼魅般的超距作用吗？

你好，欢迎来到《给忙碌者的量子力学课》，我是李剑龙。

你还记不记得这两个词：一个是实在性，你不看月亮的时候，月亮仍然是存在的；一个是局域性，我在北京干一件事，这件事不会瞬间影响到上海，影响速度不能超光速。

爱因斯坦认为，在量子力学中，这俩特性必须同时成立。

在前两讲中，物理学家通过实验告诉我们，它俩不能同时成立。后来又有实验表明，爱因斯坦设想的实在性也不成立。那么现在只剩下一个问题，局域性还能不能成立呢？

为了回答这个问题，这一讲我们来学习一个量子力学特有的概念，量子纠缠。

量子纠缠最早是爱因斯坦提出来的。他把它称作鬼魅般的超距作用。是什么意思呢？

有人说，量子纠缠就像心灵感应，你对一个粒子做测量，另一个粒子无论在哪里，都会瞬间响应，中间不需要任何时间，这是一种超光速的现象。

这就奇怪了，任何物体都不能超光速，这是爱因斯坦自己在相对论里提出来的啊？怎么他把自己推翻了呢？量子纠缠到底超不超光速呢？

1 量子纠缠就是瞬间推断

我们先来说说量子纠缠到底是什么意思。

假如两个粒子形成了量子纠缠，我只要测量其中一方的状态，就能瞬间推断另一方此刻的状态。我敲个黑板，我说的是瞬间推断，不是说我决定了另一方此刻的状态。

咱们拿爱因斯坦和玻尔打个比方吧。他们形成了一个心情上的量子纠缠。

不管他们离着有多远，就算一个在美国，一个在欧洲，他俩的心情都能保持绝对的相反。玻尔如果心情好，爱因斯坦肯定心情难受；玻尔如果难受，爱因斯坦肯定心情好。

但他俩心情到底是什么样的，你得问了才知道。不问他们，他们就同时处于好心情和坏心情两种状态。如果你问了其中一个，就能瞬间推断另一个心情好不好。

在这里，我要纠正一下你可能有的误会。

可能你会以为，纠缠的物理状态只能是相反的，其实不是。比如电子的自旋方向，两个电子如果有纠缠，自旋可以方向相反，一个朝上，另一个朝下；也可以方向相同，要么都朝上，要么都朝下。

还有一个误会是，好像只能是2个粒子纠缠，其实3个也行，N个粒子都行。Google的量子处理器，就是53个量子在纠缠。

好，咱们回到爱因斯坦。如果此刻爱因斯坦在我面前，他一定会说，相对论说了，任何影响速度都不能超光速。此刻的你只受到此刻身边事物的影响，不受远处任何事物的影响，这叫作局域性原理。如果量子力学认为，测量会瞬间改变两个粒子的状态，就违反了局域性原理，肯定错了。

所以，爱因斯坦认为，量子力学要对，我的局域性原理就错，相对论也错了。我的相对论要是对，你量子力学必然错。这俩理论不能同时成立。

爱因斯坦当初提出量子纠缠，目的就是为了证明量子力学有错。

不过，这都是空对空的讨论。在判断谁对谁错之前，我们还是应该看看实验怎么说。

2 相对论依然成立，但局域性却不成立了

实验是这样的。物理学家从一个地方发出一对量子纠缠的光子，我们还是把它们想象成爱因斯坦和玻尔。

这哥俩走过相同的距离，分别到达在北京和深圳的两栋房子里。但他俩纠缠的不是心情，而是这么一种关系：如果你看到老爱在北京这边的1楼，那玻尔就一定在深圳那边的2楼；如果看到老爱在2楼，那么玻尔一定在1楼。

我跟你说一个测量的思路，但这个思路不是物理学家操作的真实逻辑，只是便于你理解物理学家的想法。

比方说，你现在在北京测了一下爱因斯坦，我在深圳，看玻尔的状态突然跑到1楼了。那我用从北京到深圳的距离，除以这两个事发生的时间差，就能算出这种影响的传播速度。

这个传播速度有多快呢？从2000年开始，几组物理学家，做了各种不同的实验。结果都发现，这个速度的下限，最慢的也超过了光速。而且也有可能，这个速度根本没有上限。

你看，实验证明，量子纠缠违反了我们刚才说的局域性原理。

但是另一边的相对论呢，也有无数的实验证明，光速确实是所有物体和信息的速度上限，不可能有东西超光速，局域性必须成立。

那你说这怎么办？通常情况下，结论相互矛盾的两个理论，我们必须二选一，必然有一个是错的。但现在它们两个都被实验证实，我们没得选了。

这就把我们逼到了第三种可能：这两个说法都对，但它们有各自不同的适用范围。

我来解释一下这第三种可能性。其实，爱因斯坦对量子纠缠超光速的理解是错误的。

他以为的情况是，测量北京的那个人时，那个人会偷偷给深圳的人发消息，让后者跟他保持一致。测量一个人，就瞬间影响了另一个人，这种影响超光速了。

但现实不是这么回事，其中并不存在影响，而只是存在某种关系。

这就像一个航天员跟妻子闹矛盾，跑到火星上躲了起来。他妻子上法院起诉离婚，法院批准，离婚就瞬间生效了。这个生效速度无视任何距离。就算航天员跑到银河系外面，离婚也是瞬间生效的。

所以，测量的影响不能超光速，但断绝关系完全可以超过光速。

知道这一点，量子纠缠的事你就好理解了。你测量其中一个粒子，就能瞬间推断另一个粒子的测量结果。这就好比航天员的妻子把字一签，法院一盖章，我们就能瞬间推断航天员现在是单身了。

在这个过程中，我们没有以任何方式朝另一个粒子发出任何信号，虽然违反了局域性，但并不违反相对论。也就是说，相对论不等于局域性。有了量子力学以后，相对论还在，但局域性却不成立了。

那局域性和相对论到底是什么关系呢？

3 从信息的角度理解量子纠缠的整体性

我们下面从信息的角度，再来理解一下这个问题。

我得先说一下，爱因斯坦误解量子纠缠的根本原因。这还是要回到咱们课程里反复提到的那个词，波粒二象性。

爱因斯坦还是在用单纯的粒子视角，看待量子纠缠。他总觉得，他是他，玻尔是玻尔，这是两个独立的人。所以，你一测量他就瞬间知道玻尔的状态，那他必然偷偷给玻尔发消息。

但真正的情况不是这样的。如果你从波粒二象性的视角出发，用数学公式波函数把它们的状态写出来以后，就会发现，只能写出一个波函数。也就是说，它们是一个波，是一个整体。

你测量了一个整体的两个部分，发现结果存在关联，根本没什么可奇怪的。

这就好比老爱和玻尔哥俩在玩跷跷板，你发现一个人在地面时，另一个一定在空中。这是因为两个人不是两个孤立的个体，他们通过跷跷板联系了起来。

原来我们只关注两个人的状态，却忽略了跷跷板。跷跷板就是他俩之间的关系。个体加上关系，构成了一个整体。量子纠缠指的是这个整体。

如果你是科幻小说迷，听到这里你可能会说：科幻小说不是经常说，量子纠缠能超光速传递信息，这真的可以吗？

我明确地告诉你，这不可能。因为这里涉及两种不同的信息。

一种是必须用波函数才能写清楚的信息，叫量子信息。量子信息描述的是波粒二象性。

另一种是我们平常用的，比如短信、写小纸条这样的信息。这些信息要么通过电磁波，要么通过宏观物体传递，叫经典信息。

相对论说的是，经典信息的传播不可能超光速，但它并不限制量子信息。

这在量子力学中叫作不可通信定理，也就是你不可能利用量子纠缠来超光速传递经典信息。下次你再在科幻片里看到说，我用量子纠缠实现了超光速通信，你可以微微一笑，不必当真。

其实之前我说局域性就是影响超过光速，是为了便于你理解。现在你知道了，局域性强调的是，我只研究北京的粒子，就能把北京的量子信息说清楚。此时此刻深圳的粒子，跟我没关系，我不研究它。

但量子力学说，它们实际上是有关系的，你要想说清楚北京的量子信息，深圳那边得配合你，你才能把它们的关系说清楚，而且这关系里面也包含量子信息。这就叫非局域性。

你现在应该知道，为什么说相对论和局域性不是一回事了。

相对论说的是经典信息不能超光速；局域性说的是，一个地方的人能不能把本地的所有事全都说清楚，超不超光速只是说事过程中要考虑的一种情况而已。

最近几十年，物理学家对非局域性还做了更深入的研究。他们发现，在没有量子纠缠时，非局域性也成立。由于时间关系，我就不详细解释了。你只要知道，量子纠缠具有整体性，但没有量子纠缠时，量子状态照样可以存在整体性。

有很多人说，传统文化强调整体思维，现代科学强调分析思维，比如要把一个整体还原成几个部分，然后逐个分析。但你看，现代科学也有整体思维，量子力学的非局域性就是一种典型的整体思维。

 划重点

1. 量子纠缠表现为，如果你测量A粒子，就能瞬间推断B粒子的测量结果，不论B粒子离你有多远。

2. 量子纠缠的过程是超过光速的，但并不违反相对论，它们之间并不传递经典信息。

3. 量子信息是非局域的，它的本质还是波粒二象性。

最后留一个思考题。除了量子纠缠之外，你还听说过哪些科学现象，需要用整体思维来研究呢？留言说说你的思考。

到这一讲为止，我们讲了量子世界的一大堆性质，但这些性质好像只能在微观世界看到，它们在宏观世界也存在吗？我们下一讲见。

网友互动

什么是量子纠缠？

简单来讲就是：粒子（比如：光子、电子）瞬间同步状态，无论距离。这就好像一对双胞胎，一个在地球，一个在火星。在地球上的哥哥摔了一跤，瞬间同一时刻火星上的哥哥也摔了一跤。

量子纠缠不仅仅指两个粒子，可能是多个粒子纠缠在一起。

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现在，问题来了？

1）如何制造量子纠缠？

2）最多可以几个粒子量子纠缠？

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如何制造量子纠缠？

拿光子举例，简单来讲就是分裂光子。

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格拉斯哥大学的研究人员使用的是光子。他们设计了一个实验系统：一个波长为355纳米的紫外光子通过了偏硼酸钡（BBO）晶体后，变成了两个710纳米的红光光子。随后，他们使用分束器让这两个波长为710纳米的光子分离，它们各自沿着光学系统中的两条不同的光路传播。这两条光路的长度不一样，因此可以调节两个光子达到探测器的时间差。

这两个分道扬镳的光子，就是一对纠缠光子。

）

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最多可以几个粒子量子纠缠？

不知道

作者

回复

是的！让一个光子通过一种特殊的装置，分裂成两个光子，这是一种非常典型的制备量子纠缠光子对的方法。

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我用课程中的例子来构建一个场景:我和老师事前约定，老师在深圳，看到玻尔在一楼，老师就出门买菜。看到玻尔在二楼，老师就在家看电视。我在北京如果想让老师出门买菜，就采用某种方法把爱因斯坦强制拉到二楼。这样不就实现了超光速传递经典信息了吗?如果爱因斯坦在北京，玻尔在宇宙的边缘，这样也可以超光速传递经典信息。请问老师，上述场景存在吗？为什么?

作者

回复

不对。你对量子纠缠的其中一方粒子测量时，得到的结果是概率性的。所以，你并不能通过这种方法传递确定的信息。如果你传递的是不确定的内容，那么根据经典信息的定义，它的信息量等于0。所以，量子纠缠无法超光速传递经典信息。

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除了量子纠缠之外，你还听说过哪些科学现象，需要用整体思维来研究呢？

蝴蝶效应。。。

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能马上想到的就是统计力学描述温度的概念，把分子平均动能看做一个整体来研究，而不是单独去研究单个分子。再比如各种混沌系统的研究，如N体问题，研究一个复杂运动系统相互作用如何保持稳定。

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受力分析，A物体在B物体上面，拉动B物体时AB物体的受到力的大小