1935年夏天,物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)和欧文Schrödinger就量子力学新理论的影响展开了一场内容丰富、内容多样、有时有些烦躁的通信。他们担心的焦点是Schrödinger后来所称的纠缠:无法描述两个量子系统或者独立的粒子,在它们相互作用之后。

直到他去世,爱因斯坦仍然坚信,纠缠证明了量子力学是不完整的。Schrödinger认为纠缠是定义了新物理的特点,但这并不意味着他就轻易接受了。1935年7月13日,他在给爱因斯坦的信中写道:“我当然知道这个把戏的数学原理。”“可是我不喜欢这种说法。Schrödinger这只处于生死边缘的著名猫最初是在这些信件中出现的,这是他们努力想要阐明困扰他们的问题的结果。

问题是这种纠缠违背了世界应该如何运转。比如,信息的传播速度不能超过光速。但是在1935年,爱因斯坦和他的合著者展示了纠缠是如何导致现在被称为量子非定域性这是一种存在于纠缠粒子之间的怪异联系。如果两个量子系统相遇然后分离,即使跨越数千光年的距离,没有它就不可能测量一个系统的特征(比如它的位置、动量和极性)立即引导对方进入相应的状态。

到目前为止,大多数实验都测试了空间间隙的纠缠。假设是量子非定域性的“非定域性”部分指的是跨越空间的性质纠缠但是如果缠结也发生在两边呢时间吗?有没有时间非局部性这种东西?

事实证明,答案是肯定的。就在你认为量子力学已经变得不可思议的时候,来自耶路撒冷希伯来大学的一组物理学家说报道2013年,他们成功地纠缠了从未共存过的光子。之前的实验使用了一种叫做“纠缠交换”的技术,通过延迟对共存的纠缠粒子之一的测量,已经证明了量子相关性。但伊莱·米吉迪斯和他的合作者是第一个发现寿命不重叠的光子之间存在纠缠的人在所有

他们是这样做的。首先,他们创造了一对纠缠光子,“1-2”(下图中的第一步)。不久之后,他们测量了光子1的偏振(描述光振荡方向的特性),从而“杀死”了光子1(步骤II)。创建(步骤3)。光子3然后测量随着流动光子2这样的纠缠关系是“交换”从旧的双(“1 - 2”和“3 - 4”)到新的“2 - 3”组合(第四步)。一段时间以后(步骤V)的偏振孤独的幸存者,光子4,测量,并将结果与长时间死亡的光子1(回到步骤II)的结果进行了比较。

图1.时间阵线图:(i)光子1和2,(ii)光子1,(iii)的光子1,(iv)响影光子2和3,(v)检测的突出光子4。

地上?数据揭示了“临时非竞争”光子1和4之间的量子相关性存在。即,在一个永不共用的两个量子系统上可以发生缠结。

这究竟意味着什么?初步然而,似乎是令人不不那么令人痛苦的是,遥远的过去的星光的极性大于地球的终身的两倍 - 然而,这冬天,通过你的业余望远镜的星光落下的星光极性。甚至更奇怪:也许它意味着你的眼睛通过今年冬天通过望远镜落下的星光来落下的测量,以某种方式决定了9亿多年来的光子的极性。

为了不让你觉得这个场景太过怪异,米吉迪斯和他的同事们忍不住对他们的结果进行各种可能的、相当诡异的解读。也许在第二步测量光子1的偏振在某种程度上控制了未来光子4的偏振,或者光子4在第V步偏振的测量,重写了过去的光子1的偏振态。在正向和反向两个方向上,量子关联跨越了一个光子的死亡和另一个光子的诞生之间的因果虚空。

不过,只要一勺相对论就能让这种诡异的感觉消失。在发展狭义相对论的过程中,爱因斯坦抛弃了“”的概念同时性来自牛顿的基座。结果,同时性来自绝对成为一个相对一个。宇宙没有单一的计时器;精确的某些事情的发生取决于你的精确位置相对于你所观察的,被称为你的的参照系。所以避免奇怪的因果行为的关键是操舵未来或者重写(过去)在时间分离的情况下,我们可以接受称事件为“同时发生的”没有什么形而上学的意义。它只是一种特定于框架的属性,是许多可选择但同样可行的属性中的一种选择——这是一种惯例或记录的问题。

T他的课直接延伸到空间和时间量子非定域性。关于纠缠粒子对的谜团相当于由相对论引起的关于标记的分歧。爱因斯坦证明了没有事件序列可以被形而上地赋予特权——可以被更多地考虑真正的,比任何其他。只有接受这一观点,我们才能在量子谜题上取得进展。

在希伯来大学的实验中,不同的参照系(实验室的参照系,光子1的参照系,光子4的参照系,等等)都有自己的“历史学家”,可以说。虽然这些历史学家对事情是如何发展的意见不一,但他们中没有一个人能在真理的角落里声称。根据时空的观点,在每一个事件中,都有不同的事件序列展开。显然,任何试图一般分配特定框架的属性,或将一般属性绑定到一个特定框架的尝试,都会引起历史学家之间的争论。但问题是:虽然在什么时候,应该赋予哪些粒子哪些属性这一问题上可能存在合理的分歧,但在这个问题上不应该存在分歧存在这些性质,粒子和事件。

这些发现在我们钟爱的经典直觉和量子力学的经验现实之间又造成了一道鸿沟。正如Schrödinger和他的同时代人一样,科学的进步将涉及到对某些形而上学观点的局限性的研究。Schrödinger的猫,半活半死,是为了说明系统的纠缠如何导致宏观现象,我们的挑战通常理解物体及其属性之间的关系:像猫这样的有机体不是死就是活。没有中间地带。

大多数当代哲学对物体及其属性之间关系的描述仅仅是从空间非局部性的角度来拥抱纠缠。但是,在融合时间的非局部性方面仍有重要的工作要做——不仅是在物体属性的讨论中,而且在关于物质构成的争论中(比如一块粘土和它形成的雕像之间的关系),和part-whole关系(比如手与肢体的关系,或者肢体与人的关系)。例如,部分如何与整体相匹配的“谜题”假定底层组件之间有明确的空间边界,但空间非局域性警告反对这种观点。时间的非局部性使这幅图更加复杂:如何描述一个组成部分甚至不是共存的实体?

挑剔纠缠的性质有时是一个不舒服的项目。目前尚不清楚有什么实质性的形而上学从扰乱令人欣赏的新研究的审查是令人沮丧的令人挑剔的是令人欣慰的睫毛和其他物理学家。In a letter to Einstein, Schrödinger notes wryly (and deploying an odd metaphor): ‘One has the feeling that it is precisely the most important statements of the new theory that can really be squeezed into these Spanish boots—but only with difficulty.’ We cannot afford to ignore spatial未来形而上学中的时间非局部性:无论靴子合不合脚,我们都得穿。永旺计数器-不要移除

本文最初发表于永旺并已在知识共享下再版。

图片来源:Alan Levine / Flickr

Elise Crull是纽约城市学院历史和科学哲学的助理教授。她与Guido Bacciagaluppi合著了《爱因斯坦悖论:非定域性和不完整性的辩论》(1935年出版)。