1935年的夏天，物理學家愛因斯坦和薛定諤從多個角度對量子理論所蘊含的意義進行了全方位的探討。他們所擔心的焦點是后來被薛定諤稱之為“糾纏（entanglement）”的概念，它代表的是在兩個量子系統(tǒng)或粒子進行相互作用后，我們無法對其進行獨立描述的情況。

直到愛因斯坦去世，他仍然堅信糾纏意味著量子力學是不完備的。薛定諤認為糾纏是新物理學的關鍵性特征，但這也并不意味著對此他能輕易接受。1935年7月13日，薛定諤在寫給愛因斯坦的信中表示：“我當然知道這個問題如何在數(shù)學上解釋得通，但我不喜歡這么一個理論?！?最初出現(xiàn)在這些信件中的，還有最著名的那只徘徊于生死之間的薛定諤的貓。而這只貓也只是讓兩位聰明的大腦陷入困境的副產品。

○ 1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森發(fā)表了一篇著名的論文，質疑了量子力學的完備性。| 圖片來源：Einstein et al.

糾纏的問題在于它違背的是宇宙運作的規(guī)律。首先，信息的傳播速度不能比光速快。但在1935年的一篇論文中[1]，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森展示了糾纏如何導致了存在于糾纏粒子間的奇異連接——量子非定域性（quantum nonlocality）。如果兩個量子系統(tǒng)相遇后再分開，即便相距數(shù)千光年，也不可能在對其中一個系統(tǒng)的特征（如位置、動量和偏振）進行測量時，不會瞬間影響到另一系統(tǒng)并將其轉換入相應的狀態(tài)。

迄今為止，大部分實驗已經測試了空間差距上的糾纏。這是假設量子非定域性的“非定域”部分指的是跨空間性質的糾纏。但如果糾纏也會發(fā)生在時間尺度上會怎樣呢？是否存在時間非定域性的東西？

事實證明，答案是肯定的。就在你認為量子力學已經不能再奇怪時，希伯來大學的物理學家 Eli Megidish 等人在2013年發(fā)表了論文稱[2]，他們成功地讓從未共存過的光子發(fā)生了糾纏。比之更早的那些涉及到“糾纏交換”技術的實驗，已經通過對其中一個共存的糾纏粒子的測量進行延時，實現(xiàn)了跨越時間的量子相關性；但 Megidish 和他的合作者則是第一次展示了生命周期完全沒有重疊的光子間的糾纏。

他們是如何做到的呢？首先，他們創(chuàng)造了一對糾纏的光子：‘1-2’（如下圖中的步驟I所示）。很快，他們測量光子1的偏振（即描述光的振蕩方向的屬性），導致光子1的“死亡”（步驟II）。光子2被徒勞無功的送出，同時新的糾纏對“3-4”誕生了（步驟III）。隨后光子3與巡回光子2一起被測量，使得糾纏關系從舊的糾纏對（“1-2”和“3-4”）“交換”成新的“2-3”糾纏對組合（步驟IV）。一段時間之后（步驟V），唯一的幸存者——光子4——的偏振被測量，并且將其結果與早已在步驟II就“死亡”的光子1進行比較。

○ 時間線圖：（I）光子1和2的誕生；（II)探測到光子1；（III）光子3和4的誕生；（IV）光子2和3的貝爾投射；（V）探測到光子4。| 圖片來源：[2]

結果如何？實驗數(shù)據(jù)揭示了光子1和4之間存在“時間非定域”的量子相關性。也就是說，糾纏可以發(fā)生在兩個完全沒有共同存在過的量子系統(tǒng)上。

這到底意味著什么？乍看之下，這就如同說，來自遙遠過去（比如90億年前）的星光偏振，竟能影響你在今年冬天用業(yè)余望遠鏡觀測到的星光偏振一樣聳人聽聞。更奇怪的是，這或許還意味著，你在今年冬天觀測到的落入你望遠鏡的星光，不知何故就支配了光子的偏振超過90億之久。

以免這種古怪的情形讓人過于震驚，Megidish 和他的同事不遺余力地試圖對結果進行了所有可能的猜測，包括一些相當奇怪的詮釋。也許步驟II中的對光子1的偏振測量以某種方式操縱了未來的光子4的偏振；或者是步驟V中的對光子4的偏振測量以某種方式改變了光子1在過去的偏振狀態(tài)。無論從向前還是向后的時間方向上，量子相關都跨越了一個光子的死亡和另一個光子的誕生之間的因果空白。

不過，只要相對論一介入，這種奇異性就會消失。在狹義相對論的發(fā)展過程中，愛因斯坦拋棄了牛頓學說中的“同時性”這一概念。這樣一來同時性從一個絕對屬性變成了一個相對屬性。宇宙中沒有唯一的計時器，確切地說是在什么時候發(fā)生了某件事，取決于你相對于正在觀察事物的精確位置，也就是我們所說的參照系。因此，要在時間分離的情況下避免出現(xiàn)奇怪的因果行為（主宰了未來或改寫了過去）的關鍵，就要接受稱事件是“同時性”一事是幾乎不形而上的。這只是一個限制參照系的性質，是眾多其他同等可行選擇的一種，是一種約定俗成的記錄。

這一課題直接涵蓋了對空間和時間的量子非定域性探索。糾纏粒子對的未知奧秘相當于由相對論引發(fā)的標記分歧。愛因斯坦證明了任何事件的順序都不可能有形而上的優(yōu)先或被認為是比其他任何東西要更真實的。只有接受這種見解，才能在這樣的量子難題上取得進展。

可以這么說，希伯來大學進行的這項實驗中的各種不同參照系（實驗室、光子1、光子4等的參照系）都有它們各自的“歷史記錄者”。雖然這些“歷史記錄者”不會對事情的發(fā)展達成共識，但它們中的任何一個都不能稱自己就是真理。根據(jù)這種時空的觀點，每一個事件都有不同的展開順序。那么顯然，任何指定限制參照系屬性的嘗試、或將一般屬性綁定到一個特定參照系上，都會引起“歷史學家”之間的爭論。但是事情是這樣：雖然在對于哪些屬性在何時應該指定給哪些粒子這類問題上可以有合理的分歧，但在這些屬性、粒子和事件的存在上不應有分歧。

對于薛定諤及其同時代的人來說，科學上的進步將涉及到對某些形而上學觀點的局限性的探索。薛定諤的那只半死半活的貓——就是為了說明系統(tǒng)的糾纏是如何導致那些違背我們對物體和其屬性間關系的正常理解的宏觀現(xiàn)象而創(chuàng)造的：例如像一個既非死亡也非活著的貓這樣的有機體。非此即彼。

大多數(shù)當代哲學對物體與其屬性之間關系的解釋，僅是從空間非定域性的角度來理解糾纏。但是，要想融合時間非定域性方面將還有很多工作要做，不僅是物體和屬性間的討論，而且也有關于物質構成的爭論（好比一塊粘土和它所形成的雕像之間的關系），以及部分和整體間的關系（好比一只手之于肢體、或一個肢體之于人體的關系）。例如，部分與整體如何契合的“難題”是假設了基礎組成部分之間具有清晰的空間邊界，但空間非定域性并不支持這一觀點。時間的非定域性進一步復雜化了這種情況：如何對一個組成部分甚至不能共存的實體進行描述？

或許認清糾纏的本質有時是一個令人不那么舒服的工作。目前我們尚不清楚從對Megidish等物理學家那樣做出的新研究的審視中，能產生哪些真實的形而上學。我們無法忽視未來形而上學上的空間或時間的非定域性：靴子是否合適，還必須得由我們來穿上它才知道。

文：Elise Crull

譯：二宗主

原文標題為“You thought quantum mechanics was weird: check out entangled time”，首發(fā)于2018年1月9日的Aeon。原文鏈接：https:///ideas/you-thought-quantum-mechanics-was-weird-check-out-entangled-time。中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。

參考文獻：

[1] https://journals./pr/abstract/10.1103/PhysRev.47.777

[2] https://journals./prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.110.210403