困扰爱因斯坦的「幽灵般的超距作用」，是如何被贝尔定理证明的？选自Quantamagazine作者：BenBruba

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作者：BenBrubaker
机器之心编译
贝尔定理与「幽灵般的超距作用」，这是一段量子力学史话。
我们理所当然地认为，世界上某个地方发生的一件事不会立即对远方的事物产生影响。这一理论被物理学家叫做定域性原理（locality），长期以来被认为是有关物理定律的一个基本假设。
但量子力学的提出似乎推翻了这一假设。 1935年，爱因斯坦和他的两位同事合写了一篇论文——《量子力学对物理实在性的描述是完备的吗？》（也被称为EPR佯谬）。其中心思想是：根据量子力学可导出，对于一对出发前有一定关系、但出发后完全失去联系的粒子，对其中一个粒子的测量可以瞬间影响到任意远距离之外另一个粒子的属性，即使二者间不存在任何连接。一个粒子对另一个粒子的影响速度竟然可以超过光速，爱因斯坦将其称为「幽灵般的超距作用」，认为这是根本不可能的，以此来证明量子力学是不完备的。

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量子力学到底有没有遗漏什么？这个问题让物理学家争吵了几十年，北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔也对这一争论颇为忧虑。

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终于，在1964年，贝尔提出了贝尔定理和贝尔不等式，将关于量子力学是否完备的争论转化为一个可以用实验验证的问题。在这之后的几年里，量子力学一次又一次地经受住了实验的验证。
【困扰爱因斯坦的「幽灵般的超距作用」，是如何被贝尔定理证明的？】贝尔定理颠覆了我们对物理学最深刻的直觉之一，促使物理学家去探索量子力学如何能完成在经典世界中无法想象的任务。美国国家标准与技术研究院的量子物理学家KristerShalm表示，「现在所发生的量子革命，以及所有这些量子技术， 100%都要感谢贝尔定理。」
下面我们就来说说贝尔定理是如何帮助研究者证明「幽灵般的超距作用」是确实存在的。
量子纠缠
困扰爱因斯坦的「幽灵超距」是一种被称为「纠缠」的量子现象。在这种现象中，两个本是不同实体的粒子失去了独立性。众所周知，在量子理论中，一个粒子的位置、偏振和其他特性在它被观测之前都是不确定的。但如果去观测这些纠缠态的粒子，我们会发现，它们的观测结果是强相关的，即使它们相距甚远，并且几乎同时被观测。也就是说，一个粒子不可预测的观测结果似乎会立即影响另一个的观测结果，不管二者相距多远，这违背了定域性原理。
为了更加准确地理解量子纠缠，我们以电子或其他粒子的自旋特性为例。自旋粒子的行为有点像小磁铁，当一个电子通过由一对南北磁极产生的磁场时，它会发生一定程度的偏转，朝向磁场的某一极。这表明，电子自旋是一个只能取两个值中的其中一个值的量：「上（up）」表示偏转到北极，「下（down）」表示偏转到南极。
想象一个，让一个电子穿过一个磁场，上面是南极，下面是北极。观测其偏转，我们可以得到这个电子的自旋沿垂直轴是朝上还是朝下。现在，旋转两个磁极之间的轴，使其不再垂直，然后沿新的轴测量偏转，电子将总是以相同的幅度向其中一极偏转。也就是说，无论你沿哪条轴测量，你都会得到一个二值的自旋值——要么朝上，要么朝下。
事实上，我们不可能构造出一个观测装置来同时测量一个粒子沿多个轴的自旋。量子理论断言，自旋观测器的这种特性实际上是自旋本身的特性：如果一个电子沿某个轴有一个确定的自旋，那么它沿任何其他轴的自旋都是没有定义的。