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前言——平行宇宙理论 距离美国物理学家休·埃弗里特（Hugh Everett）在20世纪50年代后期首先提出平行宇宙理论，如今平行宇宙已经变为众多文学、影视作品的常客，由于其艺术化加工处理，导致其与时间旅行悖论相互混淆，而其真正的来源为一门“神秘的”科学——量子力学。截至目前，这一理论依然是人类历史上最离奇但又完全合乎逻辑的构想之一，在这个理论中，我们所处的宇宙只是众多平行世界中的一个，不同的平行宇宙之间是有差异化的，在一定程度上甚至可以解释，为什么我们目前已知的物理化学现象被“上帝”设计的如此精妙，因为这是无数可能性中的其中一个，也因此于我们所处的世界诞生了人类。而如果以一个宇宙为前提来解释，很多晦涩的现象总会被归结于“上帝的杰作”，也可以说，平行宇宙理论是对神学的一次冲击。由于近来诺贝尔物理学奖的颁布，颁奖视频中出现了我国于2016年发射的墨子号量子科学实验卫星，量子力学也再次回到大众视野，我也想通过本人的一些浅显认识通俗的谈谈本文的主题量子力学。瑞典皇家科学院决定将2022年的诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)、美国科学家约翰·克劳泽(John F.Clauser)和奥地利科学家安东·塞林格(Anton Zeilinger)，以表彰他们进行了纠缠光子的实验，确立了对贝尔不等式的不成立，并开创了量子信息科学。他们通过开创性的实验展示了处于纠缠状态的粒子的潜力，这三位获奖者对实验工具的开发，也为量子技术的新时代奠定了基础。
阿兰·阿斯佩（左）、约翰·克劳泽（中）、安东·塞林格（右）。 图片来源：诺贝尔奖官网 将时间拉回到1927年，彼时物理学家们还在探讨上帝是否是掷骰子的？（量子的状态是否是不确定的）海森堡提出海森堡的不确定性原理，其指出：不可能同时精确确定一个基本粒子的位置和动量。此定理最大的意义在于表明微观世界的粒子行为与宏观物质很不一样。同年，玻尔与海森堡在哥本哈根所创立的哥本哈根学派，并声称自己对量子力学的解释为量子力学的“正统解释”，即哥本哈根诠释。对于一个量子，在没有观测它的时候，它可能是两种状态的叠加；而一旦对叠加态的量子进行观测，量子叠加态就会坍缩成其中一个状态。通俗来说就是，你不看，他状态就未知，你看了，他变成其中一种状态。 爱因斯坦是反对哥本哈根诠释的，为此，还曾和波尔有过一场激烈的辩论。爱因斯坦认为量子是处于一个状态，没法预测是因为隐含的变量，这之间有因果关系的。薛定谔也是站爱因斯坦这边的，他们认为这些人在玩什么东西嘛？根本不靠谱！薛定谔也由此提出了一个著名的思想实验——薛定谔的猫。
将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。乍一听很玄乎，但其实薛定谔的本意是为了讽刺哥本哈根学派，意思是按照你们的说法，我们物理学家啥也不知道，凡事都是不确定的，大家来听听，这合理吗？（虽然现在看来，这可能就是合理的）爱因斯坦一众人等为了反对哥本哈根诠释，提出一种量子纠缠（Quantum entanglement）思维实验，即EPR思想实验。量子纠缠是指当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象；在经典力学里，找不到类似的现象。量子纠缠也是不受距离限制的，是“非定域性”的。即便是其中一只猫在地球上，另一只猫在宇宙的另一角，这种奇特的联系仍然会瞬时发生。爱因斯坦将这种跨越空间的量子纠缠现象称为“鬼魅的超距作用”，为此爱因斯坦转而提出“定域隐变量理论”来解释这种神奇的联系。借着检验两个量子纠缠粒子所呈现出的关联性物理行为，凸显出定域实在论与量子力学完备性之间的矛盾，因此，这论述被称为“EPR佯谬”。EPR理论中E、P、R分别是 Einstein、Podolsky、Rosen三位物理学家首字母缩写。在EPR论文，爱因斯坦等人写道；“I can't believe that God plays dice”。以佯谬的形式对量子力学的哥本哈根诠释提出了批评，但EPR论文并没有质疑量子力学的正确性，它质疑的是量子力学的不完备性。总结下来，爱因斯坦认为上帝不是在掷骰子，你看，这有俩电子同时自旋为上，再加上俩电子同时自旋为下，让他们处于一种量子纠缠状态。我拿一个电子站在地球上，小薛拿一个跑到一光年外去，而由于测量会导致量子系统坍缩，电子处于同时为上或为下的叠加状态，所以测量结果，要么同时为上，要么同时为下。那么我一测我手中的这个电子，必然知道另一个电子的状态，也就知道了一光年以外的事，信息传递超过光速，这是违反相对论的，所以量子纠缠不可能存在。但是波尔、海森堡并不这么认为，他们说，你虽然知道了一光年以外的事，但是这是无信息增量的，那么就没有信息的传递，所以不违背相对论。其实就是在都认可相对论的前提下的辩论，可以看作是一种哲学层面的争论，也就是局域性原理是否正确的问题（一个特定物体，只能被它周围的力量影响）。所以是否违背相对论也没那么重要，就算不违背，这也是无视距离的超距作用（分别处于空间两个不毗连区域的两个物体彼此之间的非局域相互作用），在当时的激烈争论情况下，大多数人已经搞不懂这些科学家们在说什么了，脑子一团浆糊，你跑过去喊一句说瞬间移动是能够实现的，在考虑到根据量子力学能瞬间知道几光年外的事的前提下，可信度还蛮高的。整场辩论的走向，由于没有人能拿出科学性的实验证实结论，这个哲学问题俨然已朝着科幻故事的方向发展。在此“危难”之际，一个叫贝尔(John Bell)的物理学家横空出世，为了验证孰对孰错，贝尔提出了一个不等式和一个实验方法，如果实验结果符合不等式，那么就支持爱因斯坦的“定域性”理论；如果实验结果违背了不等式，则驳斥了爱因斯坦的“定域性”理论。由此诞生了贝尔不等式，是一个有关是否存在完备局域隐变量理论的不等式，判断是否成立就可以判断量子纠缠是否存在。
那么问题就转到如何验证贝尔不等式，而这样就说到本次诺贝尔物理学奖，设计实验能够制造处于纠缠态的光子，从而对贝尔不等式进行验证。贝尔不等式上世纪七十年代就提出来了，但真正严格的实验是进入21世纪才完成。这三个获诺贝尔奖的科学家就是完成了这项证明，即爱因斯坦提出来的隐变量，是不存在的。简化本次诺奖的验证过程以方便理解，想要验证量子纠缠，首先是制造量子纠缠的系统，那么我们首先设定一个总自旋为零的系统，再向两个相反的方向发射两个完全相同的光子，而光子的自旋为1，在无外磁场的作用下，根据自旋守恒即总自旋为0，所以两光子自旋方向一定相反，即纠缠住了。那么这时我们测量其中一个光子的自旋，立刻就可以知道另一个光子的自旋，就好像无论相距多远，始终保持通讯，这就是超距作用无视距离。而根据爱因斯坦的假设，存在隐含变量对光子产生影响，可以理解为在两个光子发射之前，就已经被隐含变量赋予了信息，保证光子的步调一致。为验证此猜想，先假设确实存在隐含变量，根据光的波粒二象性可知，光子可以看作电磁波，即存在自旋以及振动，而其振幅方向即为偏振方向。这时取三枚不同倾角的偏振片(Polarizer)，偏振片会使偏振片方向和振动方向垂直无法通过，偏振片方向和振动方向平行可以通过，偏振片方向和振动方向有倾斜夹角有概率通过，而量子纠缠状态下的光子，其偏振方向是一致的。假设，三种偏振片分别A、B、C，在南北两个相反方向随机设置一个偏振片，而光子是否通过偏振片，就会产生八种情况，即
若存在隐含变量，其会随机挑一种给光子，光子碰到ABC偏振片自然就会有决定好的结果，那么在完全随机抽取偏振片的前提下，会产生三种情况，AB、BC、AC，判断两偏振片通过情况是否相同可以得到24种结果，即
在考虑存在不相同结果的情况2-7中，出现结果相同的概率是1/3，而加上1和8两种情况下，最终得到相同的次数应超过1/3。那么以此做几百万次实验，在满足大数定理的前提下，如果结果确实大于1/3，逻辑上就说，不能说明隐型变量不存在，整个实验就是个验证找反例的过程。而最终的实验结果为1/4，即在逻辑上可以说明，不存在隐型变量。我们假定有一个苹果，它有一半是青的，有一半是红的。如果碰红的那一部分，那青的那一部分必然会同步的动作。量子纠缠就是如此，可以看作是这样的一个苹果。现在的分歧在于爱因斯坦认为，这个苹果它是一整个，它中间是有联系的，红的这一半跟青的那一半是连在一起的，所以才会产生这种现象。那玻尔认为，这红的这一半和青的那一半是没有联系的。贝尔不等式，就是用来判断这个苹果是否是一个整体？还是中间被切了一刀，实际上红的一半、青的一半分开，是没有联系的。而贝尔不等式判断方法就是把这个苹果放在桌子上滚动，然后坐在桌子的一侧观察苹果的颜色。假如这个苹果红的一半和青的一半属于同一个苹果，中间是有联系的。我们看到红的那一半，就一定看不到青的那一半。也就是说，同时看到红苹果和青苹果的概率是0。而如果这个苹果它中间被切了一刀，红的这一半和青的这一半它不是连在一起的，那我们让这个苹果在桌子上滚，因为它会分开的，有可能同时会看到红苹果和青苹果。所以，这个时候同时看到红苹果和青苹果的概率就大于0。这就是贝尔不等式的原理，最终是判断概率的大小，所以叫做不等式。由于量子纠缠是微观物理模型，会受到非常多的干扰因素，而获2022年诺贝尔物理学奖的三个科学家就是证明了“God plays dice”，他们是量子信息理论的先驱，也进一步说明了微观世界远超我们的理解，打开了全新的研究领域。本文偏科普向文章，引据杂乱，无法保证其准确性及严谨性，故无标注，仅作为对量子力学浅显认识的分享，以下仅列出本文作者参考较多的文章。[1]李晓.浅谈EPR悖论与量子纠缠[J].科技创新与应用,2015(29):74. [2]刘治,张端明.贝尔不等式及其实验验证[J].湖北大学学报(自然科学版),2002(02):131-135. [3]李宏芳.“薛定谔猫佯谬”的哲学研究[J].科学技术与辩证法,2005(02):35-38. [4]姜小慧. 科学哲学视角下的EPR悖论研究[D].华中科技大学,2010. [5]史蒂芬·霍金.《时间简史》[M] [6]2022年诺贝尔物理学奖到底说了什么？用苹果打比喻，谁都能懂|爱因斯坦|物理学家|量子_网易订阅 (163.com)
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