爱因斯坦vs玻尔

按照量子力学，粒子在测量前可能处于叠加态。爱因斯坦认为叠加态只是我们用于计算的工具，而玻尔认为它是粒子真实的状态。

为了方便，以手套为例说明爱因斯坦和玻尔的争论。举个例子，盒子里装着一只普通的手套，这只手套是左手还是右手，这是确定的，不管我们是否看它。如果是量子手套呢（即微观的手套）？假设这手套处于某种叠加态中，打开盒子，有60%的可能是左手，40%的可能是右手。按爱因斯坦的看法，它和普通的手套没什么不同，在打开盒子之前，它就已经是左手或右手中的一种，只是我们不知道而已。玻尔认为在打开盒子之前，量子手套既不是左手也不是右手，而是另外一种状态。

两人谁对谁错？两人都同意打开盒子后我们看到的是一只确定的手套，有争论的只是没打开盒子之前的情况。既然不准打开盒子，实际上我们就无法确知手套是什么状态。所以很难判断两人谁对谁错。

   爱因斯坦想到了一个方法来驳斥玻尔。一副量子手套，一左一右，分别装在两个盒子里，然后把它们分开送到非常遥远的不同的地方。比如一个在广州，一个在北京。打开在广州的盒子，比如说看到手套是左手的，那么在北京的手套必然是右手的。如果像玻尔说的那样，打开盒子前手套处于不左不右的状态。那打开广州盒子的时候，北京的手套状态瞬间就确定了，这说明广州的手套瞬间影响了北京的手套，存在超距作用。而按照相对论，信息传递的速度不能超过光速。所以玻尔的看法和相对论矛盾，所以是错误的。

玻尔答复说，在打开盒子前两只手套本质上是一个整体，所以没有超距作用，与相对论不矛盾。爱因斯坦当然不同意这个答复，都分开这么远了，怎么还是一个整体呢，这不扯淡吗？

爱因斯坦这里主张的实际上是局域性。什么是局域性？举个例子。现在地球绕着太阳转，假设太阳突然消失，地球并不会马上“知道”太阳消失了，而是在八分多钟后它才会脱离原来的轨道。同样，一个电荷的运动无法马上影响到另一个电荷，它们的相互作用要通过电磁场来传播。简单来说，局域性是指分离的个体，一个要影响另一个，必须要通过空间把相互作用传播出去，而传播速度是有限的。

那爱因斯坦的主张正确吗，自然界是否存在非局域性呢？

贝尔证明了，所有局域的理论都遵守一个不等式（后来这不等式被称为贝尔不等式），他还证明了量子力学违背贝尔不等式，也就是说量子力学是非局域的。  

这样，爱因斯坦和玻尔的争论变成了爱因斯坦和量子力学的争论，爱因斯坦认为这个世界是局域的，而量子力学则相反。谁对谁错要通过实验来检验。说明一下，这里的争论和原来已经不同了，就算实验证明量子力学正确，也无法说明玻尔的主张（即手套处于既左又右的状态）是正确的，因为对量子力学有不同的理解。但如果实验证明这个世界是局域的，那玻尔的主张就错了，因为从玻尔的观点可推出世界是非局域的。

这里要补充一下。后来人们研究发现，非局域性不等于违反了相对论，相对论要求通讯速度不能高于光速，而相隔遥远的粒子虽然存在即时影响（或者通常说的关联），但我们无法利用这一点进行超光速通讯。（相关讨论见：贝尔不等式和量子真随机性——物理笔记7，量子不可克隆定理——物理笔记8）

实验

实验时用的不是手套而是光子，操作光子对使它们形成纠缠态，然后彼此分开很远，同时测量它们在不同方向的自旋的方向。重复实验很多次，然后检查统计的结果是否符合贝尔不等式。

结果表明，量子力学正确而爱因斯坦错误。这样就可宣布爱因斯坦错了。

但这实验存在两个问题：一是通讯问题，二是漏检问题。

先说通讯问题。我们做实验时，要保证两地的距离足够远，而且是同时测量（实际上要做到的是两个测量事件是类空间隔）。这样才能确保两个光子间的同步不是由于低于光速的通讯引起的，否则实验根本检测不了是否存在即时影响。但现实中要做到这一点不容易。

再说漏检问题。在实验时，仪器并不能每次都能检测到光子，很多时候错过了。这相当于我们打开盒子，但看不到手套。盒子里实际上有手套，但我们的视力有问题，所以看不到。如果所有的光子都检测到了，是否还会违背贝尔不等式呢？

法国的阿斯佩克特于1982年首次解决了通讯问题，但他的实验中仍然存在漏检问题。其他科学家解决了漏检问题，但他们的实验存在通讯问题。直到2015年人们才同时解决了这两个问题。这些实验的结果都和量子力学相符。

回到标题的问题，为什么经常出现爱因斯坦错了的新闻？

早期的实验就和爱因斯坦的结论不一致，这是人们已经相信爱因斯坦错了。就好像一个比赛，谁先拿到21分就胜利。在做了前期的实验后，相当于玻尔以15比0领先了。人们相信爱因斯坦败了，不可能翻盘了，于是宣布爱因斯坦输了。后面的实验更严谨，相当于比赛继续进行，16比0，17比0，比分继续扩大。我们还可以换其他材料继续实验，于是又可以继续宣布新的新闻。

实际上，比赛还没结束，只是我们相信爱因斯坦输定了，理论上他还存在翻盘的可能。

有的人想出一些稀奇古怪的局域理论来解释实验结果，借此来拒绝非局域性。比如有人提出两个光子间的作用是局域的，只是这种作用的传播速度超过光速。只要无法利用这个进行超光速通讯，它就不违背相对论了。不过这种存在有限速度隐影响的理论也被排除了。因为后来科学家证明了，如果存在速度有限而又超过光速的影响，那么一定存在超光速通讯。

   那么是否还存在和实验结果一致的其他局域理论呢？这是有可能的。所以比赛还未彻底结束。