2022年诺贝尔物理学奖-量子纠缠（通俗阐释）

今年物理诺奖是“量子纠缠”，引起了非常大的震动！

诺奖颁给了“量子纠缠”，则说明用科学实验证明了爱因斯坦曾经非常笃定的观点错了，而他坚决反对的量子纠缠是真实存在的。

爱因斯坦也曾经坚信：上帝是不会掷骰子的！

如此一来，那难道上帝真的是掷骰子的吗？

很多人难以理解量子纠缠，主要原因是搞错了整体的概念。我们不假思索地认为一个原子就是一个整体，但是当你把原子放大看，里面几乎是空的，都是缝隙，这时候原子还能被视为整体吗？在理论框架中，只有基本粒子才能被视为不可分离的整体，既然不可分离，那怎么可能存在缝隙呢？

所以就有物理学家认为，纠缠粒子只是同一个粒子在高维空间的体现。高维空间或许也是解释量子纠缠的一种可靠理论。难道真的是物理科学的尽头是神学？

在科幻界里也有这样的一句话——“遇事不绝，量子力学，脑洞不够，平行宇宙 ”，在量子理论当中，量子纠缠也经常会跟一些灵异事件，甚至迷信事件能扯上关系。很多人也把量子纠缠和中国的易经 阴阳 联系起来，和佛教中的念力联系起来 和 高维空间理论联系起来！

那什么是“量子纠缠”？

众所周知，爱因斯坦确信：上帝是不会掷骰子的！爱因斯坦一直到离世都反对哥本哈根派对量子力学的诠释！爱因斯坦为了反驳哥本哈根派对量子力学的诠释，为了证明量子力学的理论是不完备的，就提出量子纠缠，而量子纠缠又被称为量子力学的叛徒！

以波尔为首的哥本哈根派 对量子力学诠释为：基本上，量子系统的描述是机率的。一个事件的机率是波函数的绝对值平方。

量子纠缠是爱因斯坦在1935年第一次提出来的。当时由爱因斯坦和他的同事在 1935 年发表在《物理评论》杂志上的一篇 题为“物理现实的量子力学描述是否被认为是完整的”的论文中提出的。论文中讨论了粒子之间特别强的量子态相关性可以导致它们具有单一统一的量子态。这种统一状态可以导致测量一个强相关粒子对另一个强相关粒子有直接影响，而不考虑两个粒子之间的距离。

爱因斯坦论文的目的并不是宣布量子纠缠的“发现”，而是描述这种已被观察和讨论过的现象，并认为量子力学中一定存在一个缺失的组成部分那还没有被发现。由于他们描述的强相关现象违反了爱因斯坦相对论中规定的定律并且似乎是自相矛盾的，因此该论文认为物理学家肯定还缺少其他东西，可以将量子领域适当地置于相对论的保护伞之下。

爱因斯坦将量子纠缠描述为“幽灵般的超距作用”。

我们都知道爱因斯坦提出了相对论，但其实同时他也是量子力学的奠基人之一，后来拿到诺贝尔奖也是因为对量子力学光电效应的研究。爱因斯坦几乎以一己之力就打破了牛顿的绝对时空观。

爱因斯坦虽然是量子力学的催生者之一，但是他不满意量子力学的后续发展，爱因斯坦始终认为“量子力学不完备”，但苦于没有好的解说样板，也就有了著名的“上帝不掷骰子”的否定式呐喊！爱因斯坦到过世前都没有接受量子力学是一个完备的理论。爱因斯坦还有另一个名言：“月亮是否只在你看着他的时候才存在？”

而上个世纪的物理有两大支柱，就是——爱因斯坦的相对论和普朗克和波尔提出的量子力学。但是由于量子力学太过颠覆，所以从一开始问世就纷争不断，作为当时全世界最顶尖的物理学家爱因斯坦，他是持量子“实在性”这样的一个观点，一定是可以测量的。而以波尔为代表的哥本哈根学派认为量子是不确定的，他们认为一个量子系统你没探测的时候，它可以同时处在不同状态，你探测的时候，他就瞬间坍缩到了其中一个具体的状态。

这种阐述爱因斯坦是难以相信的，他认为量子肯定是只能处在一个状态，没法预测是因为它有隐含的变量，我们还不知道。

爱因斯坦还专门扔出了《描述物理实在的量子力学是完备的吗？》这样的一篇论文，在论文当中他给出了一种假想，比如说他可以以特殊的方式制造出一对关联的粒子，他们的量子态互相关联，一个左旋，另一个就必然是右旋，按照哥本哈根的诠释，两个粒子的状态只有在测量之后才能确定，那他就将这两个粒子拉到足够远，相隔一光年，如果这个时候再对这两个粒子测量会怎么样？哥本哈根学派认为，两个粒子在测量以后同时会随机坍缩到相应的状态。那么问题来了，这两个粒子已经隔了一光年，它们也不可能超光速，它们怎么可能把这个状态瞬时传给另外一个粒子呢？这就违反了相对论当中的“光速是不可被超越”，这从本质上违反了因果律。基于此，爱因斯坦笃定的表示，这对粒子的状态是在一开始就已经被确定了，只是在测量前我们不知道而已。他也明确讲上帝不能掷骰子！

但波尔的回应更有意思，他说“你不可以去决定上帝怎么做，上帝不光扔骰子，他还把骰子扔到你看不见的地方”，所以他们从1927年索尔维会议就开始吵，一直吵来吵去，各持己见。

1927索尔维会议：被称为史上最牛的物理学盛会

这张“明星照”汇聚了物理学界智慧之脑，数十个涵盖了众多分支的物理学家都留下了他们的身影，爱因斯坦、玻尔更是照片的灵魂人物。这张照片被称为是物理学的“全明星”合影。在本次物理界最豪华聚会上，29位与会者中有17人是诺贝尔奖得主，唯一的女性居里夫人得过两次诺贝尔奖。也被称为：真正的物理学“全明星”梦之队，

而薛定谔是支持爱因斯坦的观点的，所以他当时提出了非常著名的“薛定谔的猫”来讽刺哥本哈根派。（薛定谔的猫就是：一只猫是不能够既死又活的，它只能是一种状态：要么死要么活！）

最早使用“纠缠”一词的也是薛定谔，他认为它是量子力学最基本的特征之一，薛定谔认为量子纠缠就是量子力学的叛徒！

爱因斯坦为了反对哥本哈根派对量子的阐释就设计出了量子纠缠的思维实验——EPR理论，但并不是爱因斯坦一个人设计的，由三个人设计的，E P R分别是三个人的名字首字母，其中E是爱因斯坦。

哥本哈根派认为一个量子粒子可以同时处在不同状态，所以爱因斯坦就找两个电子，让他们处在一种纠缠中的状态，这就是传说中的量子纠缠。

假设这种纠缠状态是俩电子同时自旋为上，加上俩电子同时自旋为下，现在让小明跟小红各拿着一个电子，让他们分开一光年的距离。由于测量行为会导致量子系统坍缩，因为他们处在同时为上或者同时为下的叠加状态，我测量之后，他们要么同时为上，要么同时为下，也就是只要小明测量一下手中的电子，比方他测量出来自己的电子是向上的，他根本不用给小红打电话，就知道小红的电子也是向上的，反之亦然，那就是说小明可以瞬间知道一光年以外的事情。信息传递就超光速，这就违反了相对论，所以量子纠缠这个现象是不可能存在的。

但是波尔海森堡不这么认为，你虽然是知道了一光年以外的事情，但是你这里没有信息增量，没有信息增量不传递信息，不传递信息就不违背相对论。

到现在为止，这都属于哲学层面的争论，为啥是哲学问题？因为这涉及到了局域性原理是否正确的问题，因为量子纠缠就算不传递信息不违背相对论，但它也是一个无视距离的超距作用，就好像瞬间移动一样也不是不可能的，这也有点科幻。

直到60年代末，一个爱尔兰的实验物理学家——John bell，设计了一个实验——就是著名的贝尔不等式。终于把爱因斯坦的思维理论实验带到了这个实实在在的实验上面。简单来说就是通过验证贝尔不等式是否成立就可以判断量子纠缠是不是真的存在。

这次的物理诺奖就是颁给了用实验证明量子纠缠真实存在的三位物理学家，这个实验其实是通过纠缠的光子对去验证了贝尔不等式。

70年代的时候，诺奖第二位获奖者——克劳泽首次完成了贝尔不等式的实验验证工作；1982年的时候，诺奖第一位获奖者——阿斯贝斯代理团队更进一步，以更加精准且无懈可击的方式来验证了贝尔不等式实验；随后诺奖的第三位获奖者——塞林格完成了更多纠缠粒子的无漏洞贝尔不等式的实验。

所有实验结果都表明爱因斯坦错了，量子纠缠是真实存在。

毕竟这个贝尔不等式更像一个思维实验，要真的在实验室里面实现可不是个容易的事。这三位科学家是合力完成了这个实验。他们设计实验，制造处于纠缠态的光子，从而对贝尔不等式进行验证。

这是量子信息理论的先驱，量子纠缠被证实说明了微观世界可能远超我们的理解，打开了全新的研究领域。

其实大家最关心的就是量子纠缠这样的一个“幽灵般的超距作用” 能不能超越 所谓的物理界公认的理论——“不能超越光速”

很多自媒体和民科会给出一些解释，量子纠缠的这种瞬时的超距作用的确是违背了爱因斯坦的相对论光速不可超越的这样一个界定。

但量子物理学家为了调和这个矛盾，提出了量子纠缠不传递信息的假设，至于他为什么不传递信息呢？到这一刻还没有比较有说服力的一个解释事实，超距作用究竟是什么样的一种鬼怪的存在，也许我们需要建立起一种全新的时空观念才能够去理解。

无论如何第一次的量子革命给了我们带来了激光，现在又出现了可以操纵纠缠量子现代工具，所以说我们正在进入一个新的时代，尽管这些工具在它的机理上还有一些没解释的点，但它已经实实在在的在应用了。通过数十千米光纤发送的光子时间，包括卫星和地面站之间的光时间，都能够通过建立纠缠态来完成一些包括通信，包括我们今天常说的量子计算、量子通信、量子加密的这样的技术随之照进了现实。

下面是关于贝尔不等式下面简单介绍：

既然要验证量子纠缠，那就要在实验上要制造量子纠缠的系统，这个系统是这样的：

假设我一开始有一个总自旋为零的系统，然后想个办法，让这个系统往两个相反的方向发射出两个完全相同的光子，而我们知道光子的自旋为一，而整个物理系统在没有外磁场的作用下，它的总自旋应该是守恒的，也就是总自旋一直是零，这里有两个运动方向相反的光子，且每个光子的自旋都是一，那么就必须是这两个光子的自旋方向一定是相反的，一个向上另外一个必须向下，一个向左另外一个必须向右，这样才能够保证总自旋始终为零，这两个光子就被认为是纠缠住了，因为你只要测量了其中一个光子的自旋，就立刻知道另外一个光子的自旋，就算这俩光子离开了再远都没有问题，就好像这俩光子不管离得多远，一直在保持通信联系一样，这就是超距作用，无视距离，不管离多远，都可以通过沟通来保持两个光子步调一致。

贝尔不等式的这个思维是这样的：既然爱因斯坦反对量子纠缠，认为一定有隐含变量。什么叫隐含变量呢？隐含变量就是说并非这俩光子在无视距离沟通，而是在它们分离之前都已经被隐含变量赋予了信息，就好像给了这俩光子每人一本操作手册一样，这俩光子其实是按照同一个操作手册在进行运动，所以看上去这俩光子步调一致，仅此而已。既然爱因斯坦认为存在这样的隐含变量，那就假设确实有这个隐含变量，于是来设计一个实验，找找这个隐含变量到底是不是存在。

这个就比较难了，光子不仅有自旋，还有振动方向，因为光子是电磁波，是波就有振幅，振幅的方向叫偏振方向。真正的贝尔不等式也非常复杂。大逻辑就是假设引变量有，并推导出如果隐变量有，会有一个什么实验结论，但实验做出来不满足这个结论，就说明隐变量不存在。

贝尔不等式的原版是这个式子：

2022年诺贝尔物理学奖-量子纠缠（通俗阐释量子纠缠）