【物理史中的五月】1935年5月: EPR弔詭(Einstein-Podolsky-Rosen paradox)的論文在《物理評論》發表

1935 年 5 月: EPR 弔詭(Einstein-Podolsky-Rosen paradox)的論文在《物理評論》發表

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2005 年 11 月)

到了 1920 年代,大多數的物理學家都已清楚知道古典力學已無法完整描述原子世界,特別是在普朗克(Planck)率先提議「量子」的概念,愛因斯坦進一步發展以解釋光電效應之後。物理學必須再造,導致量子理論的出現。

海森堡(Werner Heisenberg)、波耳(Niels Bohr)以及其他幫忙建立此理論的科學家都堅持說,原子的某些行為細節無法用有意義的方法來討論,例如,我們絕無法預測原子放射出光子的確切時刻。然而,愛因斯坦卻絕無法接受這樣天生的不確定性,他曾說出名言:「上帝不會擲骰子。」愛因斯坦並非對此不滿的唯一個人,發明波動方程式的薛丁格(Erwin Schrödinger)也曾這樣說量子力學:「我不喜歡它,很抱歉我曾和它有關係。」

在一篇 1935 年的論文中,愛因斯坦、波多斯基(Boris Podolsky)和羅森(Nathan Rosen)提出了一個思考性的實驗,主張量子力學不是一個完整的物理理論。這個思考性的實驗現在稱為「EPR弔詭」(EPR paradox),是用來說明量子理論天生概念上的難題。它說明一個糾結的量子系統中,對一個粒子所測出的結果對另一個粒子會有立即的效應,不管這兩個粒子的距離有多遠。

量子力學其中一個主要的特性是不確定性的概念:一個系統中古典物理可觀察到的特性並非都能同時精確無誤地測定,甚至原則上也不行。而是,可觀察到的特性中可能有幾組 — 例如位置和動量 — 無法同時都知道。量子力學另一個奇特的性質是纏結:例如假如兩個光子纏結在一起,也就是說,它們起初被允許相互作用,因此可以接著用單一個波函數來加以定義,之後它們一旦分開了,它們仍會共享一個波函數。如此,測量一個就決定另一個的狀態:例如,一個零自旋纏結態,假如一個粒子被測出是向上自旋,另一個馬上被迫是向下自旋。

兩個纏結的光子

這就是大家所知的「非定域性行為」,愛因斯坦稱它為「超距的怪異行為」它似乎違反了相對論中的一個主要的理論:訊息傳送的速度無法超過光速,因為它會違反因果律。

值得注意的是,愛因斯坦並未試著要反駁量子力學;他承認量子力學事實上可以預測各種實驗的結果。愛因斯坦只是被理論的哲學闡釋所苦惱,他主張量子力學因為 EPR 弔詭,所以不能視為有關自然的完整理論。愛因斯坦假設存在有隱藏變數:系統仍有未知的局部性質,可用以解釋不確定性,因而並不需要有瞬間的怪異行為。波耳強烈反對此觀點,他為更嚴謹的量子力學哥本哈根詮釋做辯護。他們倆人經常激烈爭論此議題,尤其在 1927 和 1930 年的索爾未會議中;兩人都從未承認失敗。

愛因斯坦和波耳

自從愛因斯坦和他的同僚發表最初的 EPR 論文後,在理論和實驗方面都有許多進展,今日大部分的物理學家比較會將所謂的「弔詭」視為量子力學如何違反古典力學的說明,而非像愛因斯坦原先所指量子理論本身有基本瑕疵的證據。

然而,此論文經由突出測量過程的基本非古典特性,的確幫助深化我們對量子力學的了解。在此論文發表之前,大多數的物理學家看待此測量為是直接加在被測量系統的物理干擾:光射到電子上來決定它的位置,但這會干擾電子而產生不確定性。EPR 弔詭說明了可以經由測量遠處的纏結粒子,來不直接干擾地測量一個粒子。

現在,量子纏結是好幾個尖端科技的基礎。在量子密碼學中,纏結的粒子被用來傳送無法被偷聽者攔截而不留下痕跡的訊息。最先可行的量子密碼系統已被幾個銀行所使用了。發展迅速的量子計算領域使用纏結的量子態來做平行的計算,如此有些計算方式比使用古典計算機可以快很多。

 

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