三位研究人員因其在理解量子糾纏方面的開創性工作而被授予2022年諾貝爾物理學獎，這是自然界最令人困惑的現象之一。量子糾纏，用最簡單的話來說，意味著糾纏對中的一個粒子的某些方面取決於另一個粒子的某些方面，無論它們相距多遠或它們之間有什麼。這些粒子可以是電子或光子，一個方面可以是它所處的狀態，例如它是否在一個方向上”旋轉”。

量子糾纏的奇怪之處在於，當你測量糾纏對中的一個粒子的一些情況時，你會立即知道另一個粒子的一些情況，即使它們相隔數百萬光年。兩個粒子之間的這種奇怪的聯繫是瞬間的，似乎打破了宇宙的一個基本規律。這就是為什麼阿爾伯特-愛因斯坦把這種現象稱為”遠距離的幽靈行動”。

科學家花了20年的時間進行植根於量子力學的實驗，已經接受了它的奇怪之處。由於越來越精確和可靠的儀器以及今年的諾貝爾獎獲得者阿蘭-阿斯佩克、約翰-克勞瑟和安東-澤林格的工作，物理學家現在以一種特殊的確定性將量子現象納入他們對世界的認識。

然而，甚至直到20世紀70年代，研究人員對量子糾纏是否是一種真實的現象仍然存在分歧。而且理由很充分–誰敢反駁偉大的愛因斯坦，他自己也懷疑過這個問題？新的實驗技術的發展和大膽的研究人員最終揭開了這個謎團。

根據量子力學，粒子在被觀察到之前同時處於兩種或更多的狀態–薛定諤著名的思想實驗生動地捕捉到了這種效果，即一隻既死又活的貓同時存在。

同時存在於多種狀態中

要真正理解量子糾纏的詭異之處，首先必須了解量子疊加。量子疊加是粒子同時存在於多種狀態的想法。當進行測量時，就好像粒子選擇了疊加狀態中的一種。

例如，許多粒子有一個被稱為自旋的屬性，對於分析儀的一個給定方向，它被測量為”向上”或”向下”。但在你測量一個粒子的自旋之前，它同時存在於自旋向上和自旋向下的疊加中。

每種狀態都有一個概率，而且有可能從多次測量中預測出平均結果。單個測量結果是上升還是下降的可能性取決於這些概率，但其本身是不可預測的。

雖然非常奇怪，但數學和大量的實驗表明，量子力學正確地描述了物理現實。

兩個糾纏的粒子

量子糾纏的詭異性來自於量子疊加的現實，對於在20世紀20年代和30年代發展該理論的量子力學奠基人來說，這一點很清楚。

為了創造糾纏的粒子，基本上需要把一個系統分成兩個，其中各部分的總和是已知的。例如，你可以將一個自旋為零的粒子分成兩個粒子，這兩個粒子的自旋必然相反，所以它們的總和為零。

1935年，阿爾伯特-愛因斯坦、鮑里斯-波多爾斯基和內森-羅森發表了一篇論文，描述了一個思想實驗，旨在說明量子糾纏的一個看似荒謬的問題，挑戰了宇宙的一個基礎法則。

這個思想實驗的一個簡化版本，歸功於大衛-博姆，考慮了一個叫做π介子的粒子的衰變。當這個粒子衰變時，它會產生一個電子和一個正電子，它們的自旋是相反的，並且相互遠離。因此，如果電子的自旋被測量為向上，那麼正電子的自旋被測量只能是向下，反之亦然。即使這些粒子相距數十億英里也是如此。

如果對電子自旋的測量總是向上的，而對正電子自旋的測量總是向下的，這就很好。但由於量子力學的原因，每個粒子的自旋在被測量之前都是部分向上和部分向下。只有當測量發生時，自旋的量子狀態才會”坍縮”為向上或向下–瞬間將另一個粒子坍縮為相反的自旋。這似乎表明，粒子通過某種移動速度超過光速的方式相互溝通。但根據物理學定律，沒有什麼能比光速更快。當然，一個粒子的測量狀態不能瞬間決定宇宙遠端的另一個粒子的狀態？

包括愛因斯坦在內的物理學家在20世紀30年代提出了一些關於量子糾纏的替代解釋。他們的理論是，有一些未知的屬性–被稱為隱藏變量–在測量之前就決定了粒子的狀態。但在當時，物理學家沒有技術，也沒有明確的測量定義，無法測試量子理論是否需要修改以包括隱藏變量。

駁斥一個理論

直到20世紀60年代，才有了任何關於答案的線索。約翰-貝爾，一位傑出的愛爾蘭物理學家（沒有活到獲得諾貝爾獎的那一天）設計了一個方案來測試隱藏變量的概念是否有意義。

貝爾提出了一個現在被稱為”貝爾不等式”的方程，該方程對於隱藏變量理論總是正確的–而且是唯一正確的–而對於量子力學則不一定。因此，如果在現實世界的實驗中發現貝爾方程不被滿足，就可以排除局部隱變量理論對量子糾纏的解釋。

2022年諾貝爾獎得主的實驗，特別是阿蘭-阿斯佩克特的實驗，是對貝爾不等式的首次檢驗。這些實驗使用了糾纏的光子，而不是像許多思想實驗中那樣使用電子和正電子對。實驗結果最終排除了隱藏變量的存在，這種神秘的屬性會預先決定糾纏粒子的狀態。總的來說，這些實驗和許多後續實驗證明了量子力學的正確性。物體可以以量子力學之前的物理學所不能解釋的方式在大範圍內相互關聯。

重要的是，這與禁止超光速通信的狹義相對論也沒有衝突。在遙遠的距離上的測量是相關的，但這並不意味著信息在粒子之間被傳輸。相隔遙遠的雙方對糾纏的粒子進行測量，不能利用這一現像以超過光速的速度傳遞信息。

今天，物理學家繼續研究量子糾纏並調查潛在的實際應用。儘管量子力學能夠以令人難以置信的精確度預測測量的概率，但許多研究人員仍然懷疑它是否提供了對現實的完整描述。不過，有一點是肯定的。關於量子力學的神秘世界，仍有許多東西需要說明。

作者：Andreas Muller，南佛羅里達大學物理學副教授。