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关于 EPR 佯谬,爱因斯坦为什么被证明是错的?

关于 EPR 佯谬,爱因斯坦为什么被证明是错的?

的有关信息介绍如下:

关于 EPR 佯谬,爱因斯坦为什么被证明是错的?

只要阅读一下EPR论文以及关于贝尔非定域性的理论和实验就能理解爱因斯坦的观点以及为什么爱因斯坦等人的论文中所默认的局域实在性很有可能不符合我们所要描述的世界。

EPR论文指的是爱因斯坦(Albert Einstein)、波多尔斯基(Boris Podolsky)以及罗森(Nathan Rosen)于1935年发表的论文《Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete?》。在这篇短短4页的文章中,三个作者试图在假定局域实在性的前提下通过说明存在一些已有定值的物理量但量子力学无法为这些物理量的取值给出确定的预测来说明量子力学是不完备的。这种客观实在(objective reality / physical reality)与物理概念(physical concept)相对应的思想在文章的一开头就被清楚地提出了:“Any serious consideration of a physical theory must take into account the distinction between the objective reality, which is independent of any theory, and the physical concepts with which the theory operates. These concepts are intended to correspond with the objective reality, and by means of these concepts we picture this reality to ourselves.” 爱因斯坦、波多尔斯基以及罗森认为一个令人满意的物理理论不仅要满足正确性,而且还要满足完备性(completeness)。三个作者对于物理理论的完备性给出了如下的必要条件:“Every element of the physical reality must have a counterpart in the physical theory.”于是判断一个物理理论是否完备的问题就只剩下一个零件:如何去定义所谓的客观实在。在EPR论文中,三个作者所给出的对于客观实在的判断标准是:“If, without in any way disturbing a system, we can predict with certainty (i.e., with probability equal to unity) the value of a physical quantity, then there exists an element of physical reality corresponding to this physical quantity.”注意,这个判断标准虽然在原则上无法为我们指出所有的客观实在的元素,但用来证明一个物理理论的不完备已经足够了。因为我们只需要找出一个物理量,使得在暂时被认为合理的前提下(比如这篇文章所用的局域实在性)我们能够对这个物理的取值作出确定的预测,而这个物理理论却不能给出确定的答案,那么便能下结论说在已经约定的前提下这个物理理论不具备我们所定义的完备性。这正是三个作者在EPR论文中所做的。

三个作者具体做的分析是利用了量子力学中某些物理量之间存在的不可对易性。他们认为在局域实在性的前提下,量子力学只有两种可能:第一种是量子力学利用波函数对实在的描述是不完备的;第二种是不可对易的物理量没有同时的实在性。原文是:“...either (1) the quantum-mechanical description of reality given by the wave function is not complete or (2) when the operators corresponding to two physical quantities do not commute the two quantities cannot have simultaneous reality.”通过构造 和 这两个在 到 之间互相作用且在 不再有相互作用的系统,我们可以将它们整体的波函数展开成两个不可对易的可观测量 和 对系统 的本征态的积分。在文章中,作者所选取的整体波函数是 , 可观测量 是动量 ,可观测量 是位置 。测量系统 的动量后,系统 的状态由其动量的本征态之一 所描述;测量系统 的位置后,系统 的状态由其位置的本征态之一 所描述。也就是说我们可以通过测量系统 的动量或位置,在不扰动系统 的情况下确定地预测系统 的动量或位置。因此波函数 和 对应着相同的物理实在。

此时,假设量子力学对实在的描述是完备的,那(根据之前的定义)就意味着 和 拥有同时的实在性,这就与之前的第二种可能(“不可对易的物理量没有同时的实在性”)相矛盾。既然否定第一种可能(“量子力学利用波函数对实在的描述是不完备的”)会导致否定剩下的第二种可能,那么三个作者便只能下结论:量子力学利用波函数对实在的描述是不完备的( the quantum-mechanical description of reality given by the wave function is not complete)。

贝尔(John Steward Bell)在1964年的著名论文《On the Einstein Podolsky Rosen paradox》中提出的贝尔不等式(Bell inequality)为这些原本偏向哲学的争论指明了实验验证的方向。关于贝尔不等式的很多实验(比如Aspect的实验)的结果显示贝尔不等式有很大可能性是被违背了,因此爱因斯坦等人的EPR论文中所假定的局域实在性(local realism)很有可能是不符合我们所要描述的这个世界的,如果我们承认实在性(realism)的话,那么局域性就要被替换为贝尔非局域性(Bell nonlocality)。

(如果仅靠一些模棱两可似是而非的“科普文章”,或者甚至凭着自己的主观臆想去“思考”,就容易沦为 @雷奕安 这样的民科)