7.2　EPR佯谬

1935年，爱因斯坦（A. Einstein）、波尔斯基（B. Podolsky）和罗森（N. Rosen）三人（EPR）在«物理评论»上发表了«量子力学对物理实在的描述可能是完备的吗？»一文，以质疑量子力学的完备性。概括起来就是量子理论应该同时满足：①定域性的，也就是没有超过光速信号的传播；②实在性的，也就是说，存在一个独立于我们观察的外部世界。具体来说，三人对于量子理论中的观测问题和波函数的统计解释问题提出了质疑。

图11　EPR佯谬

用一个稍稍简化了的实验来描述他们的主要论据。我们已经知道，量子理论认为在我们没有观察之前，一个粒子的状态是不确定的，它的波函数弥散开来，代表它的概率。但当我们探测之后，波函数坍缩，粒子随机地取一个确定值出现在我们面前。

现在我们想象一个大粒子，它本身自旋为0。但它是不稳定的，很快就会衰变成两个小粒子，向相反的两个方向飞去。我们假定这两个小粒子有两种可能的自旋，分别叫“左”和“右”，那么如果粒子A的自旋为“左”，粒子B的自旋便一定是“右”，以保持总体守恒，反之亦然。

好，现在大粒子分裂了，两个小粒子相对飞出去。但是要记住，在我们没有观察其中任何一个之前，它们的状态是不确定的，只有一个波函数可以描述它们。只要我们不去探测，每个粒子的自旋便处在一种左／右可能性叠加的混合状态，为了方便，我们假定两种概率对半分，各50%。

现在我们观察粒子A，于是它的波函数一瞬间坍缩了，随机地选择了一种状态，比如说是“左”旋。但是因为我们知道两个粒子总体要守恒，那么现在粒子B肯定就是“右”旋了。问题是，在这之前，粒子A和粒子B之间可能已经相隔非常遥远的距离，比如说几万光年。它们怎么能够做到及时地相互通信，使得在粒子A坍缩成“左”的一刹那，粒子B一定会坍缩成“右”呢？

量子理论的概率解释告诉我们，粒子A选择“左”，那是一个完全随机的决定，两个粒子并没有事先商量好，说粒子A一定会选择“左”。事实上，这种选择是它被观测的那一刹那才做出的，并没有先兆。关键在于，当A随机地做出一个选择时，远在天边的B便一定要根据它的决定而做出相应的坍缩，变成与A不同的状态，以保持总体守恒。那么，B是如何得知这一遥远的信息的呢？难道有超过光速的信号来回于它们之间？

假设有两个观察者在宇宙的两端守株待兔，在某个时刻，他们同时进行观测：一个观测A，另一个观测B。那么，这两个粒子会不会因为距离过于遥远，一时无法对上口径，而仓促间做出手忙脚乱的选择，比如两个同时变成了“左”或“右”？显然是不太可能的，不然就违反了守恒定律。那么是什么让它们之间保持心有灵犀的默契，当你是“左”的时候，我一定是“右”？

爱因斯坦等人认为，既不可能有超过光速的信号传播，那么说粒子A和B在观察前是“不确定的幽灵”是难以自圆其说的。唯一的可能是两个粒子从分离的一刹那开始，其状态已经客观地确定了。后来人们的观测只不过是得到了这种状态的信息而已。就像经典世界中所描绘的那样。粒子在观测时才变成真实的说法显然违背了相对论的原理，它其中涉及瞬间传播的信号。这个诘难以三位发起者的首字母命名，称为“EPR”佯谬。

玻尔在得到这个消息后大吃一惊，他马上放下手头的其他工作，来全神贯注地对付爱因斯坦的挑战。他睡了一觉后，马上发现了其中的破绽所在，原来爱因斯坦和玻尔根本没有共同的基础。在爱因斯坦的潜意识里，一直有个经典的“实在”影像。他不言而喻地假定，EPR实验中的两个粒子在观察之前，分别都有个“客观”的自旋状态存在，就算是概率混合吧，但粒子客观地存在那里。但玻尔的意思是，在观测之前，没有一个什么粒子的“自旋”！因为你没有定义观测方式，那时候谈自旋的粒子是无意义的，它根本不是物理实在的一部分，这不能用经典语言来表达，只有波函数可以描述。因此在观察之前，两个粒子——无论相隔多远都好——仍然是一个互相关联的整体！它们仍然必须被看作母粒子分裂时的一个全部，直到观察以前，这两个独立的粒子都是不存在的，更谈不上客观的自旋状态！

图12　哥本哈根观点看EPR

这是爱因斯坦和玻尔思想基础的尖锐冲突。玻尔认为，当没有观察的时候，不存在一个客观独立的世界，所谓“实在”只有和观测手段连起来讲才有意义。在观测之前，并没有“两个粒子”，而只有“一个粒子”。A和B“本来”没有什么自旋，直到我们采用某种方式观测了它们之后，所谓的“自旋”才具有物理意义，两个粒子才变成真实，变成客观独立的存在。但在那以前，它们仍然是互相联系的一个虚无整体，对其中任一个的观察必定扰动了另一个的状态。并不存在什么超光速的信号，两个遥远的具有相反自旋的粒子本是协调的一体，之间无须传递什么信号。其实是这个系统没有实在性，而不是没有定域性。

EPR佯谬其实根本不是什么佯谬，它最多表明了，在“经典实在”观看来，量子理论是不完备的，这简直是废话。但是在玻尔那种“量子实在”观看来，它是非常完备和逻辑自洽的。