从现象到本质：15分钟搞懂量子纠缠！
量子纠缠到底是什么？这期视频会为小朋友们详细的讲清楚其中涉及到的知识点，从量子纠缠的基础现象，到量子纠缠的原理，再到量子纠缠的验证，最后再到量子纠缠的物理本质。本期视频比较长，希望你能够耐心看完，这会帮助你建立起对量子纠缠的全面认识。要彻底搞清楚量子纠缠，还是得先从量子力学的基础寻找答案。了解过量子力学的人肯定都听过波粒二象性和叠加态这两个词。波粒二象性就是说比原子还小的那些粒子同时具有两种状态，这些粒子不仅像粒子，也像波，粒子的波动性和粒子性会叠加在一起，也就是叠加态。但是叠加态不单单指的是波粒二象性，还有自旋、偏振、位置动量等其他物理性质的叠加态。总之一句话，你只要不测量这个粒子，人家就一直处于各种叠加态中。。
如果听懂这些，那量子纠缠就很容易理解。现在我们知道每个单独的例子都具有叠加态，那你再想，如果两个粒子通过某种方式组合在一起，那这两个粒子的叠加态是彼此独立的还是相互缠绕的呢？答案是相互缠绕的。那如果一个单独的粒子衰变成两个更小的例子，那这时候这两个粒子的叠加态是彼此独立的还是相互缠绕的呢？答案依旧是相互缠绕的。两个例子如果一开始具有某种共同的关系，那么即便两个粒子分开及叠加态也是缠绕在一起的，而量子纠缠正是这种叠加态相互缠绕的体现。比如一个具有零字旋的粒子突然衰变了，变成了两个粒子，那么？这两个粒子由于都是由同一个粒子衰变而来的。
所以在初始状态就已经建立起联系了，未来不管这两个粒子距离有多远，这种联系会一直存在。具体表现就是叠加态的相互缠绕。这时候这两个粒子就是彼此的纠缠粒子。纠缠粒子之间的叠加态会超越空间和时间进行相互作用。这里面的相互作用指的是对一个纠缠粒子进行测量，比如自旋就会同时决定另一个纠缠粒子的自旋结果。每测量之前，这两个纠缠粒子的自旋处于叠加态，每个粒子既是上旋，也同时是下旋。测量行为就会导致两个粒子的自旋变得确定。如果一个纠缠粒子的自旋为上，那另一个必然为下，反之亦然。测量行为导致的叠加态消失就是测量坍塌效应。
现在很多人都知道量子纠缠是超光速的，其实这种说法呢并不严谨。在理论上，量子纠缠就不存在速度的概念，因为纠缠粒子之间的相互作用是同时发生的，如果说存在速度的话，那是不是就意味着纠缠粒子的相互作用存在时间差呢？所以在提到量子纠缠的时候，尽量不要用瞬间、立马这样的词语来描述，最好用同时这个词。理论归理论，但是实验还得做，你不做实验怎么知道纠缠粒子的作用就是同时的呢？但是回头一想，貌似这样的实验压根就无法做。假如你把两个纠缠粒子放到太空中，距离30万公里，时间精度是0.1秒，结果的确发现量子纠缠是同时的，但是有人还会说时间精度不够，这只能说明量子纠缠的速度不低于十倍光速。
然后你又将时时间精度提高到0.01秒，即便实验依旧成立，但还是会有人说精度不够，这只能表明量子纠缠不低于100倍的光速。2013年，由中国科学家潘建伟带领的团队就测试过量子纠缠的速度下限。在这篇名为限制远处幽灵行动的速度的论文摘要中提到，爱因斯坦等人将量子纠缠中的非局域关联称为远处的幽灵行动。如果确实存在这一可怕的行为，那它的速度是多少呢？在这里，我们通过观察连续12个小时违反贝尔不等式的实验得出结论，幽灵行动的速度下限是光速的四个数量级。这个实验意味着，起码在验证上，量子纠缠至少是光速的1万倍。但要清楚，由于实验精度的限制，目前只能确定量子纠缠的速度不会低于光速的1万倍。
在未来，如果条件允许，还会做量子纠缠超光速1亿倍、一兆倍的实验，但这样的测量有意义吗？其实并没有太大的意义。我估计在未来，要证明一台超级计算机的算力，除了测量圆周率的位数外，还会新增加量子纠缠超光速多少倍的指标。接着下一个问题，现在既然已经确定量子纠缠是超光速的，那么这种超光速到底是如何实现的呢？在目前的物理框架中，两个物体要进行相互作用，必然需要借助一种中介物质。在标准模型中，我们已经知道光子、胶子等玻色子和各种场可以充当物质相互作用的介质，但是这些介质的速度上限是光速，所以对于超光速的量子纠缠来说，是没有任何波色子和场能够充当纠缠粒子之间的介质的，于是就出现了另一种解释。
这种解释就是逻辑判断。这里有两个经典案例，一个是寡妇模型，一个是手套模型。我们先来说说寡妇模型，铁蛋和翠花原本是一对情侣，经过了长达十年的爱情长跑，终于结婚了。在结婚的那一刻，铁蛋和翠花就有了夫妻之时，这种关系就相当于两个纠缠粒子享有了共同的叠加态。突然有一天，作为丈夫的铁蛋因为车祸挂了，所以在事实上，不管翠花愿不愿意，铁蛋挂的同时也是他变成寡妇的同时，这就相当于对一个纠缠粒子的测量，会同时影响另一个纠缠粒子。还有一种解释就是手套模型，将一双手套随机放入两个盒子，只有当打开其中一个盒子的同时，也就会同时知道另外一个盒子里装的是什么手套。这两种案例就是典型的逻辑判断。
这种解释也能让很多人愉快的接受了量子纠缠，可是问题就在于人家事实上却并不是这样的。如果量子纠缠是逻辑判断的话，一旦测量，那结果就是确定的，不会再改变。而事实上却是，如果打开盒子发现是左手套，盖上盒子再打开就有可能变成右手套了。量子纠缠就是这样，多次测量纠缠粒子，其结果并不相同。为了解释这个问题，爱因斯坦也是绞尽脑汁。因为在爱因斯坦看来，任何两个粒子之间要进行相互作用，必然要依靠介质，但是任何介质的速度都无法超越光速，也就是说，任何遥远区域发生的事件，都不能以超光速的形式影响另一区域的事件，这就是著名的区域实在论。
爱因斯坦自然是区域实在论的捍卫者，在他看来纠缠粒子之所以看起来可以违背区域实在论，是因为纠缠粒子之间存在一种人类还没有发现的作用机制。爱因斯坦将这种未知的作用机制叫做隐形的变量，也就是隐变量，并指出由于量子力学还没有发现这种隐变量，所以量子力学并不成熟，还有很多亟待完善的地方。这就引申出量子力学是否具有完备性的争论。所以这时候问题的一切都集中在这个隐变量上了。其实在上个世纪三四十年代，大部分物理学家都支持爱因斯坦的隐变量学说，包括量子之父的普朗克和喜欢玩猫的学顶谔。因为在当时的保守派看来，哥本哈根学派用概率描述例子也就罢了，毕竟找不到更好的理论描述粒子的行为了。这暂时只是不得已的办法，大家即便有矛盾，还起码可以坐下来好商量，而量子纠缠这种违反区域实在论的超光速行为简直不能忍。
保守派从来没有接受过如此扯淡的理论，不管从科学常识还是内心情感来说，都无法接受量子纠缠这种诡异的相互作用。1935年，爱因斯坦联合波多尔斯基和罗森共同发表了名为能认为量子力学对物理实在的描述是完全的吗？
由于这篇论文的三个作者的名字首字母分别是EPL，所以这一论文也被称为EPL佯谬。现在问题是提出来了，但是解决问题的人迟迟还没有出现。直到29年后的1964年，爱尔兰物理学家约翰贝尔才提出了贝尔不等式，给出了验证EPR扬谬的可行性实验。这个实验主要是通过非均匀磁场角度的改变，测量纠缠粒子的自旋状态的概率分布。
如果存在隐变量，那么测量纠缠粒子得到的概率就和磁场角度呈线性关系，爱因斯坦是对的，如果纠缠粒子的概率和磁场角度呈非线性关系，则贝尔不等式不成立，因变量不存在，则量子力学是完备的。科学家在半个世纪内做了大量的贝尔实验，实验的结果全都指向贝尔不等是不成立，爱因斯坦是错的。量子纠缠之间不存在所谓的因变量。但是这些实验还存在着不小的争议，主要的争议就是由于实验的纠缠粒子距离太近，操作实验过程不随机。为了解决这些问题，后来还有十万人参与的大贝尔实验。事实上，物理学家对大贝尔实验的结果一点都不意外，这个实验更多的意义是面向大众的一次科普活动，在座的很多小朋友也许正是通过大贝尔实验才开始了解量子力学的。
讲到这里，很多小朋友们已经按捺不住内心的躁动了，脑海中已经诞生了伟大的想法。我虽然不知道你在想什么，但答案就是不能。首先，量子纠缠这种超光速的现象并不存在传播子，没有传播子就证明在量子纠缠的超光速作用中，并没有实在的物质发生了超光速运动，也就无法承载信息和能量，所以并不违背相对论。你可能还会想，即便没有传播子，量子纠缠照样可以传递信息。你的想法是不是这样的？先将二进制的零和一分别对应成粒子的上旋和下旋，通过对粒子不断的测量，就会形成大量的上旋和下旋结果，通过解读自旋结果就能对应成零和一，这样就可以传递信息了。这种想法固然很好，但问题是测量纠缠粒子导致的自旋叠加太坍塌是完全随机的，你根本无法按照预定的想法控制自选太坍塌的结果，所以无法刻录有效的信息。
这时候可能有人会说，没关系的，不用控制自旋的状态也能传递信息，我们只需要将自旋叠加态是否坍塌看成零和一就行。假设自旋叠加太坍塌这一行为是一，没有坍塌，是零，那么就可以设定在一秒内，如果粒子的自旋太坍塌了，那就证明遥远的那个纠缠粒子已经被测量了。那么这就表示一，如果一秒内没有坍塌，那就证明没有被量，这就代表零。这种想法固然美好，但你又是怎么知道粒子是否坍塌了呢？你想要知道纠缠粒子自旋太是否坍塌，就得观察，那自玄太坍塌的结果到底是因为你的观察而坍塌，还是因为遥远的纠缠粒子被测量而坍塌的，所以这种方式也是被毒死的。
其实，我们理解量子纠缠一定不能套用经典的物理学概念，因为量子世界的一切都是模糊的，没有确定的行为。这并不是因为电子显微镜的分辨率不够高，而是由于量子世界的本质就是叠加态模糊不确定的，所以只能用概率描述模糊。量子纠缠也是一种模糊的叠加状态，这种叠加状态不会因为距离的远近而变得忽强忽弱，因为在量子力学看来，具有相同叠加态的纠缠例子其实是同一个例子，具有量子不可分离性。我们之所以难以理解量子纠缠，就是搞错了整体的概念。
我们可以不假思索的认为一个原子就是一个整体，但是当你把原子放大看，里面几乎是空的，都是缝隙，这时候原子还能被视为整体吗？由于这种缝隙对于人类来说太小了，所以我们难以察觉，但是对于两个纠缠粒子来说，人家本来就是一个具有不可分离的整体空间，缝隙可大可小。如果纠缠粒子之间的距离是0.001纳米，那么它们之间的缝隙就可以忽略，我们就可以心安理得的认为纠缠粒子之间的作用再正常不过了。但是当这种缝隙大到一光年，我们就无法理解纠缠粒子的相互作用行为了，这时候我们就会忘记，其实这两个纠缠粒子本来就是同一个粒子而已，只不过缝隙有点大。
这一点的确很反常时，在理论框架中，只有基本粒子才能被视为不可分离的整体，既然不可分离，那怎么可能存在缝隙呢？所以就有物理学家认为，纠缠粒子只是同一个粒子在高维空间的体现，高维空间或许也是解释量子纠缠的一种可靠理论。