1935年的夏天，物理學(xué)家愛(ài)因斯坦和薛定諤從多個(gè)角度對(duì)量子理論所蘊(yùn)含的意義進(jìn)行了全方位的探討。他們所擔(dān)心的焦點(diǎn)是后來(lái)被薛定諤稱(chēng)之為“糾纏（entanglement）”的概念，它代表的是在兩個(gè)量子系統(tǒng)或粒子進(jìn)行相互作用后，我們無(wú)法對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立描述的情況。

直到愛(ài)因斯坦去世，他仍然堅(jiān)信糾纏意味著量子力學(xué)是不完備的。薛定諤認(rèn)為糾纏是新物理學(xué)的關(guān)鍵性特征，但這也并不意味著對(duì)此他能輕易接受。1935年7月13日，薛定諤在寫(xiě)給愛(ài)因斯坦的信中表示：“我當(dāng)然知道這個(gè)問(wèn)題如何在數(shù)學(xué)上解釋得通，但我不喜歡這么一個(gè)理論?！?最初出現(xiàn)在這些信件中的，還有最著名的那只徘徊于生死之間的薛定諤的貓。而這只貓也只是讓兩位聰明的大腦陷入困境的副產(chǎn)品。

○ 1935年，愛(ài)因斯坦、波多爾斯基和羅森發(fā)表了一篇著名的論文，質(zhì)疑了量子力學(xué)的完備性。| 圖片來(lái)源：Einstein et al.

糾纏的問(wèn)題在于它違背的是宇宙運(yùn)作的規(guī)律。首先，信息的傳播速度不能比光速快。但在1935年的一篇論文中[1]，愛(ài)因斯坦、波多爾斯基和羅森展示了糾纏如何導(dǎo)致了存在于糾纏粒子間的奇異連接——量子非定域性（quantum nonlocality）。如果兩個(gè)量子系統(tǒng)相遇后再分開(kāi)，即便相距數(shù)千光年，也不可能在對(duì)其中一個(gè)系統(tǒng)的特征（如位置、動(dòng)量和偏振）進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不會(huì)瞬間影響到另一系統(tǒng)并將其轉(zhuǎn)換入相應(yīng)的狀態(tài)。

迄今為止，大部分實(shí)驗(yàn)已經(jīng)測(cè)試了空間差距上的糾纏。這是假設(shè)量子非定域性的“非定域”部分指的是跨空間性質(zhì)的糾纏。但如果糾纏也會(huì)發(fā)生在時(shí)間尺度上會(huì)怎樣呢？是否存在時(shí)間非定域性的東西？

事實(shí)證明，答案是肯定的。就在你認(rèn)為量子力學(xué)已經(jīng)不能再奇怪時(shí)，希伯來(lái)大學(xué)的物理學(xué)家 Eli Megidish 等人在2013年發(fā)表了論文稱(chēng)[2]，他們成功地讓從未共存過(guò)的光子發(fā)生了糾纏。比之更早的那些涉及到“糾纏交換”技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)通過(guò)對(duì)其中一個(gè)共存的糾纏粒子的測(cè)量進(jìn)行延時(shí)，實(shí)現(xiàn)了跨越時(shí)間的量子相關(guān)性；但 Megidish 和他的合作者則是第一次展示了生命周期完全沒(méi)有重疊的光子間的糾纏。

他們是如何做到的呢？首先，他們創(chuàng)造了一對(duì)糾纏的光子：‘1-2’（如下圖中的步驟I所示）。很快，他們測(cè)量光子1的偏振（即描述光的振蕩方向的屬性），導(dǎo)致光子1的“死亡”（步驟II）。光子2被徒勞無(wú)功的送出，同時(shí)新的糾纏對(duì)“3-4”誕生了（步驟III）。隨后光子3與巡回光子2一起被測(cè)量，使得糾纏關(guān)系從舊的糾纏對(duì)（“1-2”和“3-4”）“交換”成新的“2-3”糾纏對(duì)組合（步驟IV）。一段時(shí)間之后（步驟V），唯一的幸存者——光子4——的偏振被測(cè)量，并且將其結(jié)果與早已在步驟II就“死亡”的光子1進(jìn)行比較。

○ 時(shí)間線(xiàn)圖：（I）光子1和2的誕生；（II)探測(cè)到光子1；（III）光子3和4的誕生；（IV）光子2和3的貝爾投射；（V）探測(cè)到光子4。| 圖片來(lái)源：[2]

結(jié)果如何？實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示了光子1和4之間存在“時(shí)間非定域”的量子相關(guān)性。也就是說(shuō)，糾纏可以發(fā)生在兩個(gè)完全沒(méi)有共同存在過(guò)的量子系統(tǒng)上。

這到底意味著什么？乍看之下，這就如同說(shuō)，來(lái)自遙遠(yuǎn)過(guò)去（比如90億年前）的星光偏振，竟能影響你在今年冬天用業(yè)余望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)到的星光偏振一樣聳人聽(tīng)聞。更奇怪的是，這或許還意味著，你在今年冬天觀(guān)測(cè)到的落入你望遠(yuǎn)鏡的星光，不知何故就支配了光子的偏振超過(guò)90億之久。

以免這種古怪的情形讓人過(guò)于震驚，Megidish 和他的同事不遺余力地試圖對(duì)結(jié)果進(jìn)行了所有可能的猜測(cè)，包括一些相當(dāng)奇怪的詮釋。也許步驟II中的對(duì)光子1的偏振測(cè)量以某種方式操縱了未來(lái)的光子4的偏振；或者是步驟V中的對(duì)光子4的偏振測(cè)量以某種方式改變了光子1在過(guò)去的偏振狀態(tài)。無(wú)論從向前還是向后的時(shí)間方向上，量子相關(guān)都跨越了一個(gè)光子的死亡和另一個(gè)光子的誕生之間的因果空白。

不過(guò)，只要相對(duì)論一介入，這種奇異性就會(huì)消失。在狹義相對(duì)論的發(fā)展過(guò)程中，愛(ài)因斯坦拋棄了牛頓學(xué)說(shuō)中的“同時(shí)性”這一概念。這樣一來(lái)同時(shí)性從一個(gè)絕對(duì)屬性變成了一個(gè)相對(duì)屬性。宇宙中沒(méi)有唯一的計(jì)時(shí)器，確切地說(shuō)是在什么時(shí)候發(fā)生了某件事，取決于你相對(duì)于正在觀(guān)察事物的精確位置，也就是我們所說(shuō)的參照系。因此，要在時(shí)間分離的情況下避免出現(xiàn)奇怪的因果行為（主宰了未來(lái)或改寫(xiě)了過(guò)去）的關(guān)鍵，就要接受稱(chēng)事件是“同時(shí)性”一事是幾乎不形而上的。這只是一個(gè)限制參照系的性質(zhì)，是眾多其他同等可行選擇的一種，是一種約定俗成的記錄。

這一課題直接涵蓋了對(duì)空間和時(shí)間的量子非定域性探索。糾纏粒子對(duì)的未知奧秘相當(dāng)于由相對(duì)論引發(fā)的標(biāo)記分歧。愛(ài)因斯坦證明了任何事件的順序都不可能有形而上的優(yōu)先或被認(rèn)為是比其他任何東西要更真實(shí)的。只有接受這種見(jiàn)解，才能在這樣的量子難題上取得進(jìn)展。

可以這么說(shuō)，希伯來(lái)大學(xué)進(jìn)行的這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中的各種不同參照系（實(shí)驗(yàn)室、光子1、光子4等的參照系）都有它們各自的“歷史記錄者”。雖然這些“歷史記錄者”不會(huì)對(duì)事情的發(fā)展達(dá)成共識(shí)，但它們中的任何一個(gè)都不能稱(chēng)自己就是真理。根據(jù)這種時(shí)空的觀(guān)點(diǎn)，每一個(gè)事件都有不同的展開(kāi)順序。那么顯然，任何指定限制參照系屬性的嘗試、或?qū)⒁话銓傩越壎ǖ揭粋€(gè)特定參照系上，都會(huì)引起“歷史學(xué)家”之間的爭(zhēng)論。但是事情是這樣：雖然在對(duì)于哪些屬性在何時(shí)應(yīng)該指定給哪些粒子這類(lèi)問(wèn)題上可以有合理的分歧，但在這些屬性、粒子和事件的存在上不應(yīng)有分歧。

對(duì)于薛定諤及其同時(shí)代的人來(lái)說(shuō)，科學(xué)上的進(jìn)步將涉及到對(duì)某些形而上學(xué)觀(guān)點(diǎn)的局限性的探索。薛定諤的那只半死半活的貓——就是為了說(shuō)明系統(tǒng)的糾纏是如何導(dǎo)致那些違背我們對(duì)物體和其屬性間關(guān)系的正常理解的宏觀(guān)現(xiàn)象而創(chuàng)造的：例如像一個(gè)既非死亡也非活著的貓這樣的有機(jī)體。非此即彼。

大多數(shù)當(dāng)代哲學(xué)對(duì)物體與其屬性之間關(guān)系的解釋?zhuān)瑑H是從空間非定域性的角度來(lái)理解糾纏。但是，要想融合時(shí)間非定域性方面將還有很多工作要做，不僅是物體和屬性間的討論，而且也有關(guān)于物質(zhì)構(gòu)成的爭(zhēng)論（好比一塊粘土和它所形成的雕像之間的關(guān)系），以及部分和整體間的關(guān)系（好比一只手之于肢體、或一個(gè)肢體之于人體的關(guān)系）。例如，部分與整體如何契合的“難題”是假設(shè)了基礎(chǔ)組成部分之間具有清晰的空間邊界，但空間非定域性并不支持這一觀(guān)點(diǎn)。時(shí)間的非定域性進(jìn)一步復(fù)雜化了這種情況：如何對(duì)一個(gè)組成部分甚至不能共存的實(shí)體進(jìn)行描述？

或許認(rèn)清糾纏的本質(zhì)有時(shí)是一個(gè)令人不那么舒服的工作。目前我們尚不清楚從對(duì)Megidish等物理學(xué)家那樣做出的新研究的審視中，能產(chǎn)生哪些真實(shí)的形而上學(xué)。我們無(wú)法忽視未來(lái)形而上學(xué)上的空間或時(shí)間的非定域性：靴子是否合適，還必須得由我們來(lái)穿上它才知道。

文：Elise Crull

譯：二宗主

原文標(biāo)題為“You thought quantum mechanics was weird: check out entangled time”，首發(fā)于2018年1月9日的Aeon。原文鏈接：https:///ideas/you-thought-quantum-mechanics-was-weird-check-out-entangled-time。中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] https://journals./pr/abstract/10.1103/PhysRev.47.777

[2] https://journals./prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.110.210403