愛因斯坦錯了嗎？愛因斯坦與玻爾的對決：EPR實驗 _生活百科

為了解釋量子奇怪的特性，波爾開創性的提出了“不確定性原理”，然而愛因斯坦極不喜歡這個理論。為了反駁玻爾的不確定性原理，愛因斯坦冥思苦想了很多年，終于在 1935 年 5 月和另外兩位科學家一起，想出了一個能夠駁倒玻爾的思想實驗，這就是大名鼎鼎的“EPR 實驗” 。
這到底是一個什么樣的實驗呢？要想明白它，先要了解點前置知識。首先，科學家們通過實驗發現電子有“自旋”的特性（但請注意，所謂“自旋” ，并不是說電子真的在像陀螺一樣旋轉，這只是量子力學中的一個屬性），而且電子的自旋還有一種特別奇怪的地方：只有兩個自由度。比如說，如果我們從電子的上方觀察電子，那么電子要么是自旋朝上的，要么是自旋朝下的。但是，如果我們改為從側面去觀察電子，電子就變成了要么是自旋朝左，要么是自旋朝右的。
接下去，物理學家又發明了一個裝置，稱為偏振器，它可以對電子進行篩選，比如，只允許自旋朝上的電子通過，或者只允許自旋朝左的電子通過。當科學家們利用偏振器對電子做實驗時，出現了一個令人無比詫異的結果：
首先，我們讓一個電子飛向這個偏振器，如果通過去了，說明這個電子是自旋朝上的。然后，在這個偏振器后面再放一個同樣的偏振器，此時，電子 100% 通過了下一個同樣的偏振器，這完全符合人們的預期。如果我們把第二個偏振器換成一個向右的偏振器，電子有50% 的概率能通過 2 號偏振器（因為自旋朝上的電子有一半是自旋朝左，有一半是自旋朝右）。實驗做 100 次，大約飛過去 50 個，次數越多，就越準確。
下面，我們就要見證令人感到無比怪異的關鍵實驗了。我們在后面再放一個向上的 3 號偏振器。按照正常邏輯，這個電子應該百分之一百地通過 3 號偏振器，但讓物理學家們大跌眼鏡的是，實驗的結果是，這個電子仍然只有 50% 的概率通過 3 號偏振器，盡管 3 號和 1 號都是上偏振器。
這意味著：不可能在兩個不同的方向同時測準電子的自旋態！
看到這樣的實驗結果?。?以玻爾為首的哥本哈根學派開心壞了。玻爾認為，這是電子不確定性原理的最佳證據，電子本身不存在確定的自旋態。在測量之前，電子處在所有自旋態的疊加狀態，去追問到底是哪個態，對不起，這個問題沒有意義！
就是在這樣的背景下，愛因斯坦提出了 EPR 實驗：
首先，我們在實驗室中制備一對總自旋為零的電子對（這在理論上是有可能實現的，只是當時在技術上還做不到）。
然后，我們讓這一對電子分開，藍電子朝左邊飛，紅電子朝右邊飛，讓他們分離得足夠遠，比如說一個飛到上海，一個飛到北京。我們在北京和上海各放一個偏振器，現在，假設兩個電子都通過了偏振器，假設紅電子是自旋朝上的，因為總自旋為零，由此可知藍電子必是自旋朝下的。假設藍電子通過了右偏振器，即藍電子是自旋朝右的，那么紅電子必然是自旋朝左的。這樣一來，我們就確定了紅藍電子在兩個方向上的自旋態了。
可見，不是電子有什么神奇的疊加態，不確定性原理本質上就是因為測量行為干擾了電子的自旋態，只要我們不去測量，它們的自旋態還是確定的！
這個大招太厲害了！令人感覺無懈可擊。1935 年，整個物理學界都在關注這個 EPR 實驗。當然，玻爾也不會坐以待斃，他在后來反擊道：EPR 實驗中有一個關鍵性的假設是錯誤的，那就是——測量紅電子的行為不會影響藍電子，測量藍電子不會影響紅電子。但實際上，紅藍電子處于一種神奇的量子糾纏態中，不論他們離得有多遠，只要對其中一個進行測量，立即就會干擾另外一個。
這就是著名的 EPR 實驗之爭。
本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品
作者：科學聲音
審核：北交大物理實驗室高級工程師周曉亮
出品：中國科協科普部
【愛因斯坦錯了嗎？愛因斯坦與玻爾的對決：EPR實驗】監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

愛因斯坦錯了嗎？愛因斯坦與玻爾的對決：EPR實驗

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