宇宙自然生命简史：21神奇的量子纠缠
要理解什么是量子纠缠，我们必须回到这个问题的源头，那就是 1935 年 5 月，爱因斯坦同两位年轻的美国物理学家波多尔斯基和罗森在美国《物理评论》47 期发表了题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》的论文，在物理学界、哲学界引起了巨大的反响。
这篇论文提出了一个名垂千古的思维实验，以论文的三位联合作者的首字母命名，称为“EPR 实验”。正如这篇论文的标题所表达的意思那样，爱因斯坦想用这个思维实验来告诉物理界，以玻尔为代表的哥本哈根学派的量子力学解释是有问题的。
到底什么是EPR实验，如果我用爱因斯坦的原始论文来讲解，会非常困难，但这个实验原理经过这么多年的发展，已经有了一个更加通俗易懂的等价版本，理解起来会比爱因斯坦的原始论文容易的多。
首先，我们要理解一个基本概念，就是电子的“角动量”。什么是角动量呢？最常见的比喻就是花样滑冰中的旋转动作。运动员把自己抱的越紧，就转的越快，物理原因就是角动量守恒。所以，仅仅从理解概念的角度，我们可以很粗糙地认为，角动量就是转动扫过的圆面积和转速的乘积，是一个固定的值，面积变小了，速度就必须增大。
按照普适的物理法则，电子与原子核构成的总角动量也是守恒的，但是，物理学家们在实验中发现，在某些情况下，这个系统的角动量总是会丢失一部分，这个就很奇怪了，难道在微观世界，连角动量也不守恒了。后来发现，守恒定律并没有被打破，而是电子自身也有角动量，整个系统丢失的角动量其实转移到了电子身上，总的角动量依然是守恒的。因为角动量跟旋转有关，所以物理学家们就把电子的角动量称为“自旋”。但我必须强调一句，虽然叫做自旋，但真实的电子并不是像陀螺一样绕着一个轴旋转。那它到底是怎么个转法？对不起，真的没法描述，说实话，物理学家也不知道，量子世界的很多东西都是只能意会无法言传，就像波粒二象性。我们只是在实验中发现电子有角动量，然后给电子的这个特性起了个形象化的名称叫“自旋”，仅此而已。
科学家们还发现，电子的自旋态只有两个自由度。在量子理论中，说不清道不明的概念实在是一堆一堆的。我只能试图用下面这个比喻来说明这个自由度是啥意思。
假如把这个旋转的滑冰者比喻成一个电子，那么，不论我们朝哪个方向去观察它，都只能看到两种结果中的一种，要么头对着我们，要么脚对着我们，不可能看到其他情况。这个大概就是电子只有两个自由度的概念。
大家都知道，我们的空间是一个三维的空间，也就是说空间中有三个互相垂直的方向，我们把他称为 X、Y、Z。
为了语言上描述的方便，现在我们来做一个人为的规定，假如我们从Y轴方向去观察一个电子，那么电子就只有两种自旋态，一种我们叫上自旋，另一种我们叫下自旋。总之，电子的自旋态只有两个自由度，虽然很奇怪，但确实是实验观察的结果。假如我们从X轴方向去观察一个电子，那么我们就把它的两个自由度叫做左自旋或者右自旋。如果从Z轴方向去观察，那么我们就叫前自旋或者后自旋。请注意，这些上下左右前后仅仅是我们为了描述方便而起的名字，并不是真正的有这些上下左右的方向，如果我们用 abcd 来指代也是完全可以的。
接下去，物理学家又发明了一个装置，称之为偏振器，它可以对电子进行筛选，比如，只允许上自旋的电子通过，或者只允许左自旋的电子通过，真实的偏振器长这个样子。
下面的这张照片是我国最著名的量子通信专家潘建伟和他实验室，他面前的那些令人头晕目眩的复杂设备，基本上都是各种各样的偏振器。（说明：这些其实是光偏振器）
为了我讲解的方便，我把偏振器抽象成这个样子：
箭头向上的偏振器，表示只允许向上自旋的电子通过，箭头向左就表示只允许向左自旋的电子通过，这个很好理解吧？接下去，我们开始做物理实验：
让一个电子飞向 1 号偏振器，这是一个上自旋的偏振器，如果电子通过去了，说明这个电子是上自旋的。然后，在这个 1 号偏振器后面再放一个 2 号偏振器，这个偏振器是一个右自旋偏振器，如图：
让飞过 1 号偏振器的电子继续朝下一个 2 号右偏振器飞，请记住，上自旋的电子有一半是左自旋，有一半是右自旋，这时候，电子有 50% 的概率能通过 2 号偏振器，实验做 100 次，大约飞过去 50 个，次数越多，就越准确。
下面，我们就要见证令人颇感意外的关键实验了，我们在后面再放一个 3 号偏振器，这是一个与 1 号偏振器一模一样的上自旋偏振器：
大家觉得，这个电子能不能飞过去呢？别忘了这个电子可是被我们筛选出来的上自旋的电子啊。按照地球人的正常逻辑，这个电子应该百分之一百的通过下一个上自旋偏振器，对吗？
可能大家已经想到了，量子的世界永远不按常理出牌，实验的结果是，这个电子仍然只有 50% 的概率通过下一个偏振器。
我们安静 10 秒钟，给大家回味一下，想想这意味着什么？
它意味着：不可能在两个不同的方向同时测准电子的自旋态
物理学家们在实验室中千百次地证实了这个现象，怎么会这样呢？
以爱因斯坦为首的一派做出了一个解释，我相信这个解释可能符合我们大多数人对世界的看法：这是因为我们的测量行为本身影响了电子的自旋态。也就是说，当电子通过 2 号偏振器时，这个偏振器已经随机改变了电子在 Y 轴方向的自旋态。
但是，以玻尔为首的哥本哈根学派却不同意爱因斯坦的观点，他们坚持认为：电子本身不存在确定的自旋态，在测量之前，电子处在所有自旋态的叠加状态，去追问到底是哪个态，对不起，这个问题没有意义！没有意义！没有意义！重要的观点强调三遍。
爱因斯坦听到玻尔的解释，那是当场被气乐了，居然还有这样的解释。但是玻尔一脸的认真相，回应说有本事你证明我错了啊。
我现在想请问大家，如果回到 80 多年前，你们会站在哪一边？诚实地回答我。我觉得，站在玻尔这边的人要么是不诚实，要么是被埋没的物理天才。爱因斯坦和玻尔为了这个问题吵的不可开交，他们在索尔维会议上公开辩论，针锋相对，这成了物理学史上的一段佳话。
当时间走到了 1935 年 5 月，爱因斯坦和他的两个学生波多尔斯基和罗森一起向哥本哈根学派放出了一个大招，那绝对是一个超级大招，这个大招史称为EPR悖论，也可以戏称为“爱菠萝悖论”，也就是我刚开始提到的那篇论文。让我们来看看这个爱菠萝大招到底是什么大招。
这个大招就是一个思想实验。爱因斯坦说，首先，我们在实验室中制备一对角动量总和为零的电子对，这个在理论上是有可能实现的，具体怎么制备的方法我们暂且不用去深究。继续听下去之前，请大家先记住一个最基本的物理定律：角动量守恒。
然后，我们把这一对电子击碎，让他们分离。我们可以打一个比方来帮助你想象，我们在一个玻璃球的中心放一点火药，然后砰的一下把它们给炸开。刚好炸成了两个碎块，这两个碎块如果一个逆时针旋转的，那么另一个一定是顺时针旋转，理由就是角动量守恒，这是本宇宙的基本法则，不管在微观世界还是宏观世界，这个法则都是成立的。现在我们让这一对原本角动量守恒的电子分开，为了描述方便，我们把这两个电子分别叫做红电子和蓝电子，蓝电子朝左边飞，红电子朝右边飞，让他们分离的足够远，比如说一个飞到上海，一个飞到北京吧。
我们在北京和上海各放一个偏振器，北京的偏振器是右自旋的，上海的偏振器是上自旋的：
现在，假设，两个电子都通过了偏振器，那么，说明红电子是上自旋，根据角动量守恒定律，可知蓝电子必是下自旋。而蓝电子通过了右偏振器，说明蓝电子是右自旋，根据角动量守恒定律，红电子必然是左自旋。
这样一来，我们不就确定了红蓝电子在两个方向上的自旋态了吗？即便红蓝电子都没通过偏振器，或者一个通过一个不通过，也不要紧，可以用相同的逻辑推断出每个电子在两个方向上的自旋态。
而玻尔的量子理论不是说：不可能在两个不同的方向同时确定电子的自旋态吗？
现在，红蓝电子在两个方向上的自旋态不都确定下来了吗？唯一的解释就是红蓝电子在分离的那一瞬间，它们在两个方向上的自旋态就已经确定了。可见，不是电子有什么神奇的叠加自旋态，测不准原理就是因为测量行为本身干扰了电子的自旋态，只要我们不去测量，他们的自旋态还是确定的！
这个大招太厉害了！如果你听懂了我前面的描述，我想再次诚恳地问刚才站在玻尔这边的听众，你们是否还认为爱因斯坦是错的呢？
1935 年，整个物理学界都被爱菠萝悖论掀起了轩然大波，有一大波中间派的物理学家们开心坏了，他们就等着看热闹，就想看看玻尔、海森堡这些哥本哈根学派的大牛们怎么应对爱因斯坦的大招。
玻尔一看到EPR悖论的论文，头都大了，他立即放下所有的工作，全力迎战，思考了三天，终于写下了一篇反击论文，论文的题目居然和爱因斯坦的论文标题一模一样，明摆着跟他怼，玻尔在这篇论文中的主要观点是：
EPR 论文看上去环环相扣，逻辑严密，但是，我玻尔还是给你挑出了一个毛病。在爱因斯坦的整个逻辑链中，有一个关键性的假设，那就是，测量红电子的行为不会影响蓝电子，测量蓝电子不会影响红电子。但是，这是错误的，因为红蓝电子处于一种神奇的量子纠缠态中，不论他们离的有多远，哪怕一个在宇宙的这头，一个在那头，只要对其中一个进行测量，立即就会干扰另外一个。
爱因斯坦一听这话，被气得乐了，好嘛，玻尔你的意思是不是说红蓝电子有超距作用，换句话说，它们能够进行超光速的通信，一个被测量了，另一个瞬间知道。来来来，你先来推翻我的相对论先，大家知道，在相对论中，任何信息和能量的传递速度无法超过光速。
玻尔说，对不起，爱因斯坦前辈，我不是这个意思，我没有说你的相对论不对，我也没有说红蓝电子可以进行超光速通信，我只是说，红蓝电子是一个整体，他们的自旋态在没有测量前不是一个客观实在，不是一个客观实在，不是一个客观实在，重要的话说三遍。
爱因斯坦听完彻底被气晕了，说你这解释还不如超光速呢，这叫什么解释，什么叫不是客观实在，在物理学上，居然还存在不是客观实在的属性？爱因斯坦是拼命地摇头，他对玻尔太失望了。他们一直到死，谁也没有说服谁。
一个电子的物理性质到底具不具备客观实在性呢？那什么又是客观实在呢？这些问题似乎已经到了哲学的范畴。但是，我敢保证，如果人类只有哲学思辨，那么永远也吵不出一个结果。好在，我们还有数学，还有科学。只有科学能给出确定的答案。这个问题到底怎么破？咱们把悬念留到下一期
两点说明：
EPR 的原始论文并没有以电子自旋态作为思维实验基础，而是用的微观粒子的位置和动量来做思维实验。这里为了科普的需要做了改动，但并不影响对物理知识的正确理解。
真实的EPR实验不是测量电子，而是测量光子，因为光子的纠缠态远比电子容易制造，光子的偏振器也远比电子的偏振器容易制造。