18、量子世界中的奇妙现象：从纠缠到波粒转变

量子世界中的奇妙现象：从纠缠到波粒转变

1. EPR 悖论、粒子纠缠与贝尔不等式

在量子的奇妙世界里，当一对在空间上分离的量子粒子以某种方式相互关联，对其中一个粒子状态的测量会瞬间改变另一个粒子的状态，这种现象被称为粒子纠缠。粒子可以在多种属性上产生纠缠，比如自旋、动量、能量或偏振。而且，无论粒子之间的距离有多远，确定其中一个粒子的某一属性，就能立刻知晓另一个粒子对应属性的状态。

爱因斯坦、波多尔斯基和罗森对这种效应进行了分析，他们得出结论：局域性条件被违反了，这两个粒子不能用一个单一的波函数来描述。同时，这似乎也违背了爱因斯坦的狭义相对论，因为信息的传播速度不能超过光速。这就引出了著名的爱因斯坦 - 波多尔斯基 - 罗森悖论，即 EPR 悖论。这些理论学家认为量子理论在某种程度上是不完整的，需要引入一些隐藏或补充变量来解释粒子之间的关联。

根据量子力学，在观察之前，量子粒子的状态（如动量、位置或自旋）是无法确定的。1957 年，玻姆和阿哈罗诺夫提出了一个假设实验，一个自旋为 0 的量子粒子会发射出两个新粒子，这两个新粒子具有相反的自旋状态，分别为 +1/2 或 -1/2。对其中一个空间上分离的量子粒子的自旋状态进行观察，必然会瞬间确定另一个粒子的状态，无需进一步观察。贝尔不等式试图用经典概率来描述这两个粒子相关自旋的依赖关系。然而，贝尔测试的失败表明，不存在隐藏变量来解释纠缠量子粒子之间的关联。如今的主流观点认为，纠缠信息是瞬间传递的，量子力学呈现出非局域性的特征，并且爱因斯坦的原理在其他类型的信息传递中并未被违反。

2. 光子纠缠的实验验证

1982 年，法国的阿兰·阿斯佩克特及其同事首次对两个空间上分离的纠缠光子之间的相关性进行了