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程明：物理學(xué)博士。曾在《自然》、《物理評論通訊》PRL 等世界頂尖學(xué)術(shù)雜志上發(fā)表過 10 多篇論文，被多本教科書，如賓大著名教授 Lubensky所著的《凝聚態(tài)物理原理》以及諾貝爾獎獲得者引用。曾在美國硅谷多家高科技公司工作，著有《留美專家談電子商務(wù)》廣東人民出版社· 2000年，和 《有機分子的電子晶體學(xué)》Springer·2012 (章節(jié)作者)。曾翻譯美國辛辛那提大學(xué)物理教授，美國光學(xué)學(xué)會理事，錢德拉教授的《因果物理》一書，2018 年曾海歸在南京大學(xué)，武漢大學(xué)任教和擔(dān)任研究生指導(dǎo)老師。
十萬個為什么 3.0 叢書 量子糾纏是量子力學(xué)中的一種深奧現(xiàn)象。當(dāng)兩個或多個粒子發(fā)生糾纏后，它們之間似乎建立了一種神秘的聯(lián)系。這意味著，即使這些粒子相距甚遠，它們的狀態(tài)仍然是相互關(guān)聯(lián)的。盡管這種關(guān)聯(lián)的具體機制尚未完全明了，但我們可以清晰地描述其現(xiàn)象。1. 創(chuàng)建糾纏態(tài)：當(dāng)兩個粒子發(fā)生糾纏時，它們的狀態(tài)變得相互關(guān)聯(lián)。這意味著，無論我們對其中一個粒子 A 的狀態(tài)（如自旋或偏振）進行測量，另一個粒子B的狀態(tài)都會立即確定。這里我們強調(diào)一下， 并非對A的測量影響了B的狀態(tài)，雖然表面上看來如此。2. 超越空間和時間：量子糾纏的相互作用超越了空間和時間的限制。即使這兩個粒子相隔遙遠，它們之間的聯(lián)系仍然存在。3. 測量關(guān)聯(lián)坍塌效應(yīng)：當(dāng)我們對其中一個糾纏粒子進行測量時，它的狀態(tài)會立即變得確定。這也會導(dǎo)致另一個粒子的狀態(tài)變得確定，即使它們之間的距離很遠。
物理上的因果關(guān)系是指物質(zhì)世界中各現(xiàn)象之間存在的客觀聯(lián)系。具體來說，一個現(xiàn)象（原因）引起另一個現(xiàn)象（結(jié)果），并且這種因果關(guān)系具有時間上的先后順序，即原因總是發(fā)生在前，結(jié)果總是發(fā)生在后。經(jīng)典物理學(xué)中的因果關(guān)系 在經(jīng)典力學(xué)中，因果關(guān)系是確定性的。只要知道一個系統(tǒng)的初始狀態(tài)（如位置和動量）以及相互作用力，就可以通過牛頓定律精確預(yù)測該系統(tǒng)在未來或過去任一時刻的狀態(tài)。這種確定性因果關(guān)系是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)。相對論中的因果關(guān)系 狹義相對論通過光速不變原理取代了經(jīng)典力學(xué)中的超距作用原理，進一步深化了對因果關(guān)系的理解。相對論中的因果關(guān)系由光錐模型描述，確保任何因果關(guān)系都不能超越光速傳播。光錐模型定義了事件在時空中的因果結(jié)構(gòu)，分為過去光錐和未來光錐，確保因果關(guān)系的局域性和洛倫茲不變性。傳統(tǒng)因果關(guān)系是基于經(jīng)典定域?qū)嵲谡摶蚨ㄓ驔Q定論的。 定域決定論（Local Determinism）是一種哲學(xué)觀點，認為所有事件都是由先前的事件決定的，并且這種因果關(guān)系是局域的，即信息和影響不能超越光速傳播。這種觀點結(jié)合了決定論和定域性兩個概念：1. 決定論（Determinism）：決定論認為，所有事件都是由先前的原因決定的，即每一個狀態(tài)都是由之前的狀態(tài)完全決定的。這意味著，如果我們知道一個系統(tǒng)的初始條件和所有相關(guān)的物理定律，我們就可以預(yù)測該系統(tǒng)的未來狀態(tài)1。2. 定域性（Locality）：定域性原則規(guī)定，任何物理效應(yīng)都不能以超過光速的速度傳遞。這是狹義相對論的基本要求，確保因果關(guān)系的局域性2。決定論通常又稱為“因果決定論”，這就是經(jīng)典物理學(xué)中的因果關(guān)系。即給定范式中的事件受因果關(guān)系的約束，【1】
那么，量子糾纏是否違背了經(jīng)典的和相對論中因果關(guān)系呢？這個問題非常復(fù)雜，至今仍有不少爭議。讓我們仔細來看一看。關(guān)于量子糾纏之間的關(guān)聯(lián)，有兩種觀點：一種認為兩個粒子之間有某種東西傳遞，但這種東西不含有信息，所以不違背光速不變原理。另一種觀點認為，粒子之間沒有任何通信，也就是沒有任何東西傳遞。信息的或非信息的。加州理工學(xué)院計算和數(shù)學(xué)科學(xué)教授托馬斯·維迪克（Thomas Vidick）表示：“人們可能會認為粒子在如此遙遠的距離上以某種方式相互通信，但事實并非如此?！盁o需溝通也可以存在相關(guān)性”，并且粒子“可以被認為是一個物體”。換句話說，量子糾纏中沒有超距作用。但不管哪一種，如果A，B 兩個量子糾纏，如果我們把對A粒子的測量看成因，把B粒子的相應(yīng)改變看成果，那么量子糾纏確實違背了經(jīng)典的因果關(guān)系。原因分析：物理中的因果關(guān)系必須由嚴格的數(shù)學(xué)定義，這就是上面提到的閔可夫斯基空間中的光錐。我們再來詳細地說明一下。光錐是一個非常重要的數(shù)學(xué)模型，用于描述因果關(guān)系，特別是在狹義相對論和廣義相對論中。光錐定義了一個事件在時空中的因果結(jié)構(gòu)，分為過去光錐和未來光錐。在狹義相對論中，光錐是閔可夫斯基時空下能夠與一個單一事件通過光速存在因果聯(lián)系的所有點的集合，并且它具有洛倫茲不變性。光錐的頂點代表一個特定的事件，未來光錐包含所有可以被該事件影響的點，而過去光錐包含所有可以影響該事件的點。光錐模型確保了因果關(guān)系的局域性，即任何因果關(guān)系都不能超越光速傳播。這意味著，任何事件的影響只能在其未來光錐內(nèi)傳播，而任何事件的原因只能在其過去光錐內(nèi)找到。兩個糾纏量子的時空間隔在因果關(guān)系之外。它們并沒有因果關(guān)系。然而，物理學(xué)主流觀點認為，量子糾纏并不否定狹義相對論中的因果關(guān)系。這是因為狹義相對論中的因果關(guān)系基于經(jīng)典定域?qū)嵲谡摶蚨ㄓ驔Q定論，而量子力學(xué)自其誕生起便是一種非定域性的理論。量子糾纏現(xiàn)象只是進一步驗證了量子力學(xué)的非定域性。如果我們推廣維迪克教授的觀點，可以認為糾纏的量子系統(tǒng)是一個整體，其狀態(tài)變化是同時發(fā)生的，不存在經(jīng)典因果關(guān)系中的先后順序。換句話說，量子關(guān)聯(lián)不能被歸類為經(jīng)典的因果關(guān)聯(lián)。具體來說：1. 整體性：糾纏態(tài)中的粒子被視為一個整體系統(tǒng)，其狀態(tài)變化是同時發(fā)生的。2. 無因果順序：在量子糾纏中，對一個粒子的測量結(jié)果并不是另一個粒子狀態(tài)變化的原因，而是兩者同時確定。3. 非經(jīng)典因果關(guān)系：量子關(guān)聯(lián)不能用經(jīng)典因果關(guān)系來解釋，因為它們不符合經(jīng)典物理中的因果順序。所以，如果A和B兩個粒子發(fā)生糾纏，我們不能將對A粒子的測量視為因，并將B粒子的相應(yīng)改變視為果。量子糾纏中的關(guān)聯(lián)是非因果的，即它們不遵循經(jīng)典因果關(guān)系的順序。有些文章認為，量子糾纏沒有超越光速的信息傳遞，因此不違反因果關(guān)系。這種解釋是不充分的，必須強調(diào)，B粒子的狀態(tài)的確定并不在A粒子的狀態(tài)之后，兩者是同時確定的。
在量子糾纏中，當(dāng)我們測量A粒子的狀態(tài)時，B粒子的狀態(tài)會瞬時確定，但這種關(guān)聯(lián)并不是通過空間傳遞的因果關(guān)系。相反，它是一種非局域的關(guān)聯(lián)，意味著兩個粒子的狀態(tài)是共同決定的，而不是一個粒子的狀態(tài)決定了另一個粒子的狀態(tài)。 量子糾纏中的關(guān)聯(lián)不能用于超光速傳遞信息，因為測量結(jié)果是隨機的，無法控制。因此，盡管兩個粒子的狀態(tài)是瞬時關(guān)聯(lián)的，但這種關(guān)聯(lián)并不能用于傳遞任何有用的信息 這種非因果關(guān)聯(lián)是量子力學(xué)的一個基本特征，挑戰(zhàn)了我們對因果關(guān)系的傳統(tǒng)理解，但并不違反物理學(xué)的基本原則。它揭示了量子力學(xué)中更深層次的非局域性和關(guān)聯(lián)性。 盡管量子力學(xué)不遵守定域決定論中的因果關(guān)系，這并不意味著量子力學(xué)中沒有因果關(guān)系。相反，量子力學(xué)提供了一種新的視角來理解因果關(guān)系：1. 概率性與統(tǒng)計性：量子因果強調(diào)量子系統(tǒng)中的因果關(guān)系是概率性的，而不是確定性的。這意味著我們只能以概率的形式預(yù)測一個粒子的狀態(tài)，而不是確定的結(jié)果。量子計算就是一個例子，量子計算并不給出一個精確的結(jié)果，而是圍繞精確結(jié)果的一個統(tǒng)計分布。2. 量子態(tài)和操作：考慮了量子態(tài)和量子操作的獨特性質(zhì)，允許在量子系統(tǒng)中描述復(fù)雜的因果關(guān)系。3. 過程矩陣（Process Matrix）：這是量子因果的一個重要概念。過程矩陣是一種新的數(shù)學(xué)框架，用于描述量子系統(tǒng)中的因果關(guān)系。它允許在不確定因果順序的情況下描述量子操作。
量子力學(xué)中的非定域性確實挑戰(zhàn)了經(jīng)典的定域決定論中的因果關(guān)系，但這并不意味著量子力學(xué)中沒有因果關(guān)系。相反，量子力學(xué)提供了一種新的視角來理解和描述因果關(guān)系，盡管這種因果關(guān)系可能不符合經(jīng)典的定域決定論。【3】What Is Quantum Entanglement? Quantum Entanglement Explained - Caltech Science Exchange【4】Quantum Entanglement Isn't All That Spooky After all - Scientific American【5】 The Universe Is Not Locally Real, and the Physics Nobel Prize Winners Proved It - Scientific American【6】量子糾纏與 Bell 型空間非定域性 – 北大物理學(xué)院
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