智子真的可以實現嗎
“量子糾纏”這個詞非常火，火到什麼程度呢？有一段時間，一篇微信公號文章刷爆了朋友圈，作者叫小二姐。在那篇文章裡，小二姐將她和一個男人的關係比喻成量子糾纏。小二姐還是有點物理學直覺的，愛情的確是某種糾纏。
之前談到的簡稱為“愛菠蘿思想實驗”的EPR思想實驗嗎？愛因斯坦、波多爾斯基及羅森提出了一個既可以測量一個粒子位置，又可以測量它的速度的方法，利用的就是量子糾纏。可以說，這是物理學家第一次直觀地說出量子力學的一個重要特徵，儘管在此之前，大家都知道有這麼一回事。
簡單地說，兩個粒子的狀態如果在製備時是關聯的，那麼它們就永遠是關聯的。
貝爾將“愛菠蘿思想實驗”用更加簡潔的形式說了出來。我來重複第19課中的一段話：
“我們可以透過儀器製造兩個電子，它們的總角動量等於0。也就是說，一個電子的自旋方向和另一個電子的自旋方向平行，但完全相反。
我們分別把這兩個電子稱為A和B，它們的總自旋為0。在製備出這對電子之後，將它們分開，比如，一個放在北京，一個放在南京。為了不影響這對電子的總自旋，假設這個電子對在製備出來之後，從製備儀器飛出，A飛向北京，B飛向南京。”
就這樣，兩個電子的自旋就糾纏起來了。如果測得A電子的自旋向上，那麼，不用去南京測量B電子，就可以得知南京B電子的自旋一定向下。而整件事的詭異之處在於，在北京測量A電子之前並不知道北京電子的自旋是向上還是向下的，這是不確定性原理告訴我們的。如果測量A電子的結果是向下，那麼，南京的B電子的自旋就向上。
愛因斯坦將這個詭異的糾纏稱為幽靈般的超距作用。
為什麼說這是幽靈般的超距作用呢？
讓我們用一個更加直觀的道具來理解這件事。我們平時穿的鞋都是確定的，一雙鞋子，一隻是左腳的，另一隻肯定是右腳的。可能有人會說，這不就是量子糾纏嗎？
其實不然。一雙鞋當然不是量子糾纏。我們可以將一雙鞋稱為經典糾纏，為什麼這麼說呢？理由是隻要這雙鞋在工廠裡配對的時候是一隻右腳的、一隻左腳的，那麼它們就是一對的。不過，現在做貝爾所做的那個實驗：將一隻鞋放進一個盒子裡，送到北京；將另一隻鞋放進另一個盒子裡，送到南京。這樣，如果北京朋友開啟盒子，發現鞋是右腳的，那麼他不用去南京，也知道那隻鞋是左腳的。可是，這為什麼不是量子糾纏呢？因為在北京的那隻鞋，不可能是左腳的，它不會變。
如果是一雙量子鞋會發生什麼情況呢？我們拿一隻量子鞋，無法知道它是左腳的還是右腳的：有可能50％的機率是左腳的，50％的機率是右腳的；也有可能30％的機率是左腳的，70％的機率是右腳的。量子鞋太詭異了，它的左右兩隻鞋是不確定的。可是，一旦在北京的量子鞋被發現是右腳的，南京的那隻量子鞋立刻就變成左腳的。反之亦然，這就是愛因斯坦說的幽靈般的超距作用。
太難以理解了是吧？沒錯，這就是量子力學的世界。
前面只是說了兩個電子的糾纏。其實，多個電子也可以糾纏，多個光子也可以糾纏，多個原子也可以糾纏。也就是說，任何一個量子力學的群體都可以糾纏。
接下來，我們說說貝爾實驗中的貝爾不等式。注意，這裡有點燒腦。
還是用直觀道具。什麼道具呢？就是你自己。作為一個人，你有性別，也有年紀，還有身高。不論是在物理學裡，還是在哲學裡，所有這些特徵，都是實實在在的，叫作實在性。我們一般相信，任何我們看到的物體特徵都有實在性。
現在，我們看一群人，這群人中的每個人都有性別、年齡和身高。我們可以用這些特徵來給這群人分類，比如，滿足身高170以上的、年齡30歲以下的有一些人。同樣，滿足男性、身高170以上的也有一些人。貝爾說，分類出來的人數，滿足一個不等式。
可是，當你將這種分類法用在一群電子上時，不等式就被破壞了。也就是說，量子世界反直覺，反人類。
貝爾說，如果這個不等式被破壞了，那麼量子力學就是成立的。物理學家在過去幾十年做了很多實驗，都說明貝爾不等式被破壞了。也就是說，量子力學是成立的。
貝爾繼續說，如果不等式被破壞了，那麼，電子的一些特徵就不具備實在性。什麼意思呢？就是說，一個電子的自旋在垂直方向上的投影和其在水平方向上的投影不同時存在。
這不就是不確定性原理嗎？其實，這不是不確定性原理。不確定性原理告訴我們，不能同時測量一個電子的自旋在垂直方向上的投影和其在水平方向上的投影。不能同時測量不等於它們不同時存在。現在，麻煩來了，不僅你不能同時測量，它們還不能同時存在。就是說，電子在垂直和水平方向上的旋轉，不具備同時存在的實在性。
好吧，這個話題不能再聊下去了，太燒腦了。
總而言之，量子糾纏在否定電子性質的實在性上做出了紮紮實實的貢獻。換句話說，電子在兩個方向上的旋轉不具備同時存在的實在性，但量子糾纏是存在的。
現在，我們回到小二姐的事情上。兩個人的愛情是一種量子糾纏嗎？比如，你和你男朋友，一個住在北京，一個住在南京。有一天，你擔心在北京的男友有外遇了，其實，他可能有外遇也可能沒有外遇。也就是說，你們是否處於相愛的狀態中，壓根沒有糾纏。
當然，小二姐真正的意思是，愛情其實是在出生前就註定了的。這一點，超出了我們能夠理解的範圍。
接著說一說經常被誤解的量子糾纏。有人說，量子糾纏是一種瞬時作用，所以可以用來做瞬時通訊，也就是超光速通訊。這是可能的嗎？
正確的答案是：不可能。
在科幻作家劉慈欣的《三體》中，有一個主要“角色”是智子，是三體人制造出來的，它隨時可以從一個微觀粒子展開成包圍地球的大網，或者變身成一個不大不小的球狀體和地球人溝通。後來，智子還能化身成一個美麗的日本女人。
智子除了可以做低維展開，明顯還是一臺可以完成量子通訊的機器。在三體星那邊，還有對應的一個智子，那個智子和地球這邊的智子構成一個量子糾纏態。因此，這邊的智子看到了什麼，那邊的智子也看到了什麼。有趣的是，劉慈欣假定，那邊的智子看到了什麼，同時還可以將這個資訊交給三體人。於是，瞬時量子通訊就完成了。
在這裡，劉慈欣也犯了一個物理學錯誤。為什麼呢？
首先，如果能夠實現超光速通訊，那麼就能用超光速傳遞物體。這破壞了我們將來要講的相對論。
直到今天，還沒有人能夠設計出一種利用量子糾纏實現超光速通訊的方法，更沒有人在現實中做出這種實驗。
現在我們知道了，在量子力學的世界裡，一切都是不確定的，不僅如此，一個電子的位置和速度不具備同時存在的實在性。可以說，這個發現不僅讓物理學家吃驚，連哲學家都無法相信。不過，我們知道，哲學家早已將理解世界的任務讓給了科學家。當然，哲學家依然是有事幹的，他們開始分析語言，分析每個句子到底是什麼意思。他們也研究物理學給他們所研究的領域帶來了什麼改變。比如，“世界是不確定的”到底是什麼意思？“電子的位置和速度不具備同時存在的實在性”到底是什麼意思？量子力學是正確的，它再反常識也是正確的，這就是我們的世界。