——从爱因斯坦-玻尔论争到量子非定域性的胜利

曾被爱因斯坦讥讽为“幽灵般的超距作用”的量子纠缠现象，无疑是过去百年间最撼动人类固有认知的科学发现之一。

物理学家曾深信，“实在性（Reality）” 的内涵不言自明：物质的存在独立于观测者之外，物体间的相互作用亦无法逾越光速的藩篱。然而，当量子力学揭开 “纠缠粒子” 间那神秘的瞬时关联时，这一传统认知框架遭遇了前所未有的颠覆性冲击。

2022年，三位物理学家因通过实验验证量子纠缠违反贝尔不等式荣获诺贝尔奖，这一里程碑标志着爱因斯坦坚守的“定域实在论”在微观世界彻底瓦解，更从根本上颠覆了人类对“实在”本质的传统认知。

1 什么是量子纠缠？

以自旋为例，量子纠缠表现为：两个粒子的自旋状态作为整体绑定，测量其中一个的自旋（无论方向），会瞬间确定另一个的自旋，且这种关联不受距离和经典信号传递限制。这一现象打破了人类对“空间”和“因果”的经典认知，同时也是量子通信（如量子密钥分发）和量子计算（如纠缠量子比特）的核心基础。

在量子力学中，微观粒子（如电子、光子、质子）具有一种内禀角动量，称为自旋。它并非粒子“绕自身旋转”（经典类比），而是一种纯粹的量子特性，可通过实验测量。

图1 量子纠缠示意图

（不关心细节者，可以跳过本节剩余部分）

自旋的测量结果是量子化的：对电子等自旋为1/2的粒子，测量其在任意方向（如x轴、y轴、z轴）的自旋时，结果只能是两个值：自旋向上（↑）或自旋向下（↓），不存在中间状态。

未测量时，粒子的自旋处于叠加态（↑↓）：例如，一个电子可以同时处于“向上”和“向下”的叠加，利用狄拉克符号（物理学家狄拉克发明的符号，已被广泛使用，可能会有数学家和计算机科学家对此感到奇怪），可以表示为：

∣ψ⟩=a∣↑⟩+b∣↓⟩（a、b为概率幅，∣a∣²+∣b∣²=1）

假设将纠缠的电子α和β一个送往月球某个地方和一个送到地球的某个地方，然后测量它们的自旋：

当在月球测量电子α的z轴自旋时，结果会随机呈现“向上（↑）”或“向下（↓）”（因为测量会打破叠加态，使量子态“坍缩”）。

关键现象：如果α的测量结果是↑，那么同时测量地球上电子β的z轴自旋时，结果必定是↓；如果α的结果是↓，β的结果必定是↑，两者永远“相反”，不存在例外。

这和我们日常经验里的“传递信息”不一样，是量子世界特有的一种神奇现象，所以，爱因斯坦称之为“spooky action in a distance（幽灵般的超距作用）”。

2 巨人交锋：决定论与概率性的世纪之争

1927年至1935年之间，阿尔伯特·爱因斯坦与尼尔斯·玻尔关于量子力学本质的论战，是现代物理学史上影响深远的思想碰撞。爱因斯坦坚信：“上帝不掷骰子”，他认为量子力学的不确定性只是表象，背后必然存在符合定域实在论的隐变量规律。玻尔则反驳道：“爱因斯坦，别再告诉上帝该怎么做了！”。

图2 爱因斯坦（左）与玻尔（右）

爱因斯坦的观点包含两大支柱：其一，实在性——物理性质独立于观测存在；其二，局域性——信息传递不可超过光速。

玻尔主导的哥本哈根诠释有几个要点：其一，微观粒子状态用波函数描述，叠加态是其核心特征，不确定性并非知识缺陷而是自然本质属性；其二，测量会导致波函数坍缩，测量行为与对象构成不可分割的整体；其三，纠缠粒子即使分离仍是量子整体的一部分。

在1930年10月的索尔维大会期间，爱因斯坦提出著名的“光子箱”（或称“光盒”）思想实验，利用质能方程挑战海森堡不确定性原理。玻尔起初“目瞪口呆”，但通宵推演后，第二天用爱因斯坦自己的广义相对论回击——海森堡的不确定性原理得救了！爱因斯坦无法继续反驳，只能承认玻尔的逻辑自洽，但并未因此接受量子力学的统计诠释。这场“光盒”论战成为量子力学史上经典的一幕，也促使爱因斯坦后来提出EPR佯谬。

1935年，爱因斯坦与波多尔斯基、罗森共同提出EPR佯谬：设想一对相互纠缠的粒子分离至光年之外，若测量其中一个粒子的状态可瞬时推知另一个粒子的状态，这要求超距作用或超光速通信，这当然是不允许的。爱因斯坦和他的同事相信存在量子论没有考虑的“隐变量”，断言量子力学对实在的描述不完备。

EPR论文的标题是《Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?》（量子力学对物理实在的描述可以被认为是完备的吗？），1935 年5月15日发表在《物理学评论》（Physical Review）杂志上（卷号为 47，页码为777-780）。

3 薛定谔：最早提出“量子纠缠”术语

爱因斯坦、波多尔斯基和罗森发表的 EPR 论文中，并未使用 “量子纠缠” 这个名词。最早提出术语 “量子纠缠” 的人是埃尔温・薛定谔（Erwin Schrödinger）。

埃尔温·薛定谔在阅读EPR论文后深受启发，于1935年6月7日致信爱因斯坦时首次使用德文词“Verschränkung”（直译为“纠缠”），用以描述两个粒子即使分离后仍保持的强关联状态。1935年10月，薛定谔发表题为《量子力学的现状》（"Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik"） 的论文中，正式定义了“Verschränkung”概念，并将其英译为“entanglement”（量子纠缠）。文中强调：量子纠缠是量子力学的核心特征，而非特殊现象。它揭示了量子系统与经典物理的根本差异——即整体性不可分割（“不可分性”），即使粒子空间分离，其状态仍相互依赖。

图3 薛定谔（照片来自网络）

薛定谔认为纠缠是量子力学的本质属性，并指出其挑战了经典物理的“局域性”原则。尽管他与爱因斯坦同样担忧其“超距作用”违背相对论，但仍承认纠缠是量子理论不可或缺的基石。在论文的第 5 节，薛定谔提出了 “薛定谔的猫” 的理想实验，同时也对量子纠缠进行了定义和探讨，表明量子纠缠是量子理论的特征性质，是量子物理与经典物理之间的分割线，深化了学界对量子非局域性的理解。

4 贝尔不等式：思想交锋的物理实验判决书

爱因斯坦与玻尔的论战，属于思想交锋，有时也采用如同“光子箱”的思想实验，但这是不可操作的。

1964年，一篇题为《On the Einstein - Podolsky - Rosen Paradox》（论爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬）的论文，发表在《物理学》（Physics）杂志上（第1卷第3期，页码为195-202）。论文作者是约翰·贝尔（John Bell）对EPR论文中提出的问题进行了深入分析，他将EPR思想实验转化为可利用物理实验检验的数学不等式。贝尔证明：任何满足局域隐变量理论的体系，其测量结果间的相关性必须遵守特定统计限制（即贝尔不等式），而量子力学的预言将违反这一限制。

图4 约翰·贝尔（照片来自网络）

贝尔论点最流行的版本，由John Clauser（约翰·克劳泽）、Michael Horne（迈克尔·霍恩）、Abner Shimony（艾布纳·希莫尼）和Richard Holt（理查德·霍尔特）于1969年提出（由此得名“CHSH”）。此形式只需两组测量方向，即可用光子偏振等实验检验量子力学的基础。其核心思想是：假设局域隐变量理论成立，两个分隔粒子测量结果的关联强度“S值”被限制在：-2≤S≤2；而如果局域隐变量理论不成立，量子纠缠粒子会突破该界限，对于特定纠缠态（如贝尔态）和优化测量方向理论预测：S≈2.828。。

5 实验革命：验证量子力学的正确性

贝尔不等式提出后，科学家们开启了长达数十年的实验验证征程：自20世纪70年代以来，大量实验均证实：|S| > 2，量子力学的预测成立，直接否定了局域隐变量理论。

约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser）率先在1972年完成首个实验，初步证实量子纠缠违背贝尔不等式，但存在实验漏洞。阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）于1982年改进实验，通过快速切换探测器消除“定域性漏洞”，更严谨地证明量子非局域性。安东·塞林格（Anton Zeilinger）在2004年则将实验扩展到更复杂系统，实现纠缠光子的远距离传输，消除“检测漏洞”，还推动了量子隐形传态等应用研究。

图5 阿兰·阿斯佩、约翰·弗朗西斯·克劳泽和安东·塞林格（自左至右）（照片来自网络）

过去10多年间，中国科技大学在验证贝尔不等式方面有多个重要成果。潘建伟团队2014年在实验室中成功实现了超高损耗下的贝尔不等式检验。2016年11月30日，该团队参与“大贝尔实验”，利用超过10万人的自由意志产生的随机数进行量子非定域性检验，并于2018年5月将相关成果发表在《自然》杂志上。郭光灿团队则是在2022年首次实现无探测漏洞的高维贝尔不等式检验。

6 定域实在论的终结与量子新纪元

2022年诺贝尔物理学奖授予克劳泽、阿斯佩和塞林格，标志着定域实在论在实验上的最终证伪。颁奖词明确指出：其工作“确立了贝尔不等式的违反，开创了量子信息科学”。这一判决性结论宣告：爱因斯坦的实在论梦想破灭——不存在既符合经典因果性又能解释量子关联的隐变量；量子非定域性成为基石——纠缠是宇宙基本性质，非技术局限；玻尔的互补性哲学的实验奠基——观测者与系统不可分割，物理实在具有情境依赖性。正如诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔贝克所言，“越来越明显的是，一种新的量子技术正在出现。获奖者在纠缠态方面的工作非常重要，甚至超出了关于量子力学解释的基本问题。”

量子力学从根本上动摇了经典物理学中“物体具有独立、确定属性”的朴素实在观。量子力学并非完全否定 “实在” 的存在，正如英国数学物理学家、诺贝尔物理学奖得奖者罗杰·彭罗斯在其巨著《通往实在之路》中指出的，如果我们相信量子系统中有些东西是实际存在的话，那么只能是描述量子实在的波函数。他强调如果不存在量子实在，那也就不存在任何层面上的实在了，全盘否认这种实在毫无意义。

量子实在颠覆了经典实在论的直观图景，它提醒我们：物理世界的“实在”可能远超人类日常经验的想象。它揭示的实在可能是：概率性的——基本属性在测量前不是确定的；非局域的——空间上分离的物体可以存在深刻关联；关系性的——属性可能不是粒子固有的，而是存在于粒子与测量装置（或环境）的关系中；整体性的——纠缠现象表明系统各部分不能被视为完全独立的实体；与观测相关联的——测量行为在确定哪些属性成为“实在”方面扮演关键角色（至少在哥本哈根等诠释中）。

量子力学没有给出关于“终极实在是什么”的唯一答案，而且，主要量子力学诠释（如，哥本哈根诠释、多世界诠释、德布罗意-玻姆诠释等）对“实在”的看法也不尽相同。但它迫使我们拓展和深化对“实在”概念的理解。不同的诠释提供了关于波函数本质、测量过程以及实在是否独立于观测者等问题的不同图景。探索“实在”含义，至今仍然是物理学和哲学最前沿也最令人着迷的问题之一。物理学家仍在探索更根本的 “实在”：无论是试图统一量子力学和广义相对论的理论，还是对暗物质、暗能量等未知存在的研究，本质上都是在寻找构成宇宙的终极客观要素和规律，以回答 “世界究竟是什么” 这一核心问题。

7 结语

从近百年前爱因斯坦-玻尔的世纪论战，到1935年EPR佯谬催生“量子纠缠”术语，再到1964年贝尔不等式引发随后数十年的实验验证，直到2022年诺贝尔物理学奖宣告量子非定域性胜利，这构成一幅波澜壮阔的科学探索历程。

参考资料：

[1] Arjun Kudinoor.Violating The CHSH Inequality Using Entangled Photons.October 29,2022

https://www.columbia.edu/~ask2262/CourseProjects/KudinoorEntanglementExperiment.pdf

[2] 罗杰·彭罗斯.通向实在之路.湖南科学技术出版社.2014