1964年|贝尔定理——量子革命的根源,证明超距作用的真实性
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1964年 , 物理学家约翰-斯图尔特-贝尔发表了一篇题为"论爱因斯坦-波多尔斯基-罗森实验(OntheEinstein-Podolsky-RosenExperiment)"的文章 , 引用了普林斯顿高等研究所的三位伟人 , 即阿尔伯特-爱因斯坦、内森-罗森和鲍里斯-波多尔斯基发现的一个明显悖论 。
这个悖论被称为"爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬(EPRParadox)" , 否定了量子力学的不确定性 。 那么 , 这个悖论的具体内容是什么?贝尔定理是如何解决这个问题的?
爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬
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1935年 , 《物理评论》杂志上发表了一篇论文 , 题目是"量子力学对物理现实的描述可以被认为是完整的吗?这篇由阿尔伯特-爱因斯坦、鲍里斯-波多尔斯基和内森-罗森共同撰写的论文 , 提出了一个著名的悖论 , 现在被称为爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬(EPR悖论) 。
该论文认为 , 当时现有的量子力学理论和数学框架是不完整的 , 因为它与现实相矛盾 。 用该论文中的话来说:
要么(1)量子力学中的波函数对现实的描述是不完整的 , 要么(2)两个量子算子不可能同时存在 。
EPR悖论通过一个纠缠的思想实验来说明"量子理论的不完全性"(尽管原论文没有明确谈到这一点) 。 它的内容如下:
让我们假设有一对量子粒子 , 例如电子 。 我们对这对电子进行一些相互作用 , 从而使它们成为纠缠对 。 在不测量这两个状态中的任何一个的情况下 , 我们把它们传送到非常远的距离上 , 比如说穿越银河系 。 为了实验的简单性 , 我们假设这种传送是完美的 , 并且没有与我们最初拥有的任何一个量子态发生相互作用 。 因此 , 纠缠被保留了下来 。 量子力学说 , 当我们测量其中一个状态时 , 我们会瞬间知道另一个物体的状态 。 这篇文章的作者用这个事实来强调"不完整的量子图景" 。 他们认为 , 这种信息一定是不正确的 , 因为它违反了自然界的一个基本定律:光速!
狭义相对论证明 , 光速是宇宙的终极速度 。 宇宙中任何物体/信息的速度都不能超过299 , 792 , 458米/秒 。 因此 , 如果两个物体在时空中交换信息 , 它们一定不会突破这个速度障碍 。 但是 , 如果两个相隔银河宽度的物体在瞬间相互作用 , "他们违反了自然界的基本规律" , 正如这篇著名论文的作者所认为的那样 。
顺便提一下 , 原始论文通过考虑两个相互非交换的量子算子 , 在数学上建立了对现实的不完全描述 , 例如A和B(非交换的的意思是AB≠BA)进行了说明 , 表明它们在概率上互不相容 , 并由此得出了对现实的不完整描述的结论 。
另一种思考方式是 , 如果你有两个各方面都相同的陀螺 , 在没有看到任何一个的情况下 , 把其中一个拿走 , 打开盒子 , 看到陀螺的颜色 , 比如说红色 , 马上就知道另一个陀螺的颜色是红色 。 这正是所谓的隐变量方法 , 即量子状态已经事先确定 , 剩下的就是测量量子状态 。 但是 , 我们很快就会看到 , 这不是自然界的运作方式!
实际上 , 一个更好的比喻是:想象两个陀螺(类似于量子态)并排旋转;让它们突然以弹性方式相互碰撞(类似于量子相互作用 , 这样 , 现在两个陀螺的动量是相互纠缠的) 。 一旦它们相撞 , 我们立即将其中一个传送到银河系的之外 。 纠缠的意思是 , 如果我们看到其中一个陀螺沿着比如说北南轴线静止 , (头部指向北方 , 尾部指向南方) , 那么这将证明另一个陀螺将指向南北轴线 , 即头部指向南方 , 尾部指向北方的事实 。
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