1935年夏天,物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)和埃尔温·薛定谔(Erwin Schrodinger)对量子力学新理论的含义进行了丰富的、多层面的、有时是令人费解的启示。

他们担心的焦点是薛定谔后来所称的“纠缠”:在它们相互作用之后,无法单独描述两个量子系统或粒子。

在他去世之前,爱因斯坦仍然坚信,纠缠表明的量子力学是不完整的。薛定谔认为纠缠是新物理的决定性特征,但这并不意味着他轻易地接受了它。

1935年7月13日,他在给爱因斯坦的信中写道:“我当然知道这是如何用数学计算的。”“但我不喜欢这样的理论。”

薛定谔的著名的猫,悬于生死之间,第一次出现在这些字母中,这是一种难以表达的副产品。

问题是,纠缠违背了世界应该如何运作。信息的传播速度不能超过光速。

但在1935年的一篇论文中,爱因斯坦和他的合著者展示了纠缠如何导致现在所谓的量子非定域,这种奇异的联系似乎存在于纠缠粒子之间。

如果两个量子系统相遇并分离,即使相隔数千光年,也不可能测量一个系统的特征(例如它的位置、动量和极性),而不会立即将另一个系统引导到相应的状态。

直到今天,大多数实验都测试了空间差距的纠缠。

假设是量子非局部性的“非本地”部分,指的是跨空间的属性的纠缠。但是,如果纠缠也发生在时间上呢?是否存在时间非定域性?

答案是肯定的。

就在你认为量子力学不会有什么奇怪之处的时候,耶路撒冷希伯来大学的一组物理学家在2013年报告说,他们成功地将从未共存的光子纠缠在一起。

先前的实验涉及一种叫做“纠缠交换”的技术,通过延迟测量一种共存的纠缠粒子,已经显示出了穿越时间的量子相关性;但是Eli Megidish和他的合作者们是第一个发现光子之间的纠缠,他们的寿命完全没有重叠。

他们是这样做的。

如果你认为量子力学是怪异的,那就去看看纠结的时间-量子客
光子纠缠示意图

 

首先,他们制造了一对纠缠在一起的光子,“1-2”(步骤I在下图中)。不久之后,他们测量了光子1(描述光的振荡方向的性质)的偏振,从而“杀死”了它(第二步)。

光子2发送一双劳而无功的事,而一个新的纠缠,“3 – 4”,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)。

一段时间后(第V步),测量了唯一幸存者光子4的偏振,并将结果与长期死的光子1(在第二步)进行了比较。

结果呢?这些数据揭示了“暂时非本地”光子1和4之间存在量子关联。也就是说,纠缠可以发生在两个从未共存的量子系统中。

这究竟意味着什么?乍一看,这似乎令人不安的是,在遥远的过去——比方说,比地球生命的两倍还多——的两极极性,却影响了今年冬天通过你的业余望远镜观测到的星光的极性。

更奇怪的是:也许这意味着你的眼睛在今年冬天通过望远镜观测到的星光的测量,某种程度上决定了超过90亿岁的光子的极性。

为了避免这种情况让你觉得太古怪,Megidish和他的同事们无法拒绝对他们的结果进行可能的和令人毛骨悚然的解释。

也许测量光子1在第二步的偏振,以某种方式使未来的两极分化为4,或者测量光子4在第五步的极化,以某种方式重写了过去的光子1的极化状态。

在向前和向后的方向上,量子关系跨越了一个光子的死亡和另一个光子的诞生之间的因果关系。

不过,仅仅一勺相对论就能帮助幽灵走下去。

在发展狭义相对论的过程中,爱因斯坦从牛顿的理论基础上推翻了同时性的概念。

因此,同时性从一个绝对的属性变成了一个相对的属性。宇宙中没有单一的计时员;确切地说,当某件事发生时,取决于你的精确位置相对于你所观察到的,被称为你的参照系。

因此,避免奇怪的因果行为(转向未来或重写过去)的关键在于,在时间间隔的情况下,我们可以接受这样的事实:将事件“同时”进行“同时”并没有什么形而上的意义。

它只是一种特定于框架的财产,是许多可选择但同样可行的选择之一——一种惯例,或记录。
这个教训直接影响到时空量子非定域性。

关于纠缠对粒子的谜团,涉及到关于标签的争论,这是由相对论引起的。

爱因斯坦指出,没有任何一种事件可以是形而上学的特权——可以被认为是比其他任何事物都更真实。只有接受这一观点,才能在这类量子难题上取得进展。

希伯来大学实验的各种参照系(实验室的框架、光子1的框架、光子4的框架等等)都有自己的“历史学家”。

虽然这些历史学家对事情的进展持不同意见,但他们中没有一个人能在真理上提出异议。根据时空的观点,每一个事件都有不同的顺序。

显然,任何试图分配特定框架的属性,或者将一般属性绑定到一个特定的框架,都会引起历史学家的争论。

但问题是:虽然对于哪些属性应该分配给哪些粒子,以及何时应该分配哪些属性存在合理的分歧,但对于这些性质、粒子和事件的存在,不应该存在分歧。

这些发现推动了我们所钟爱的经典直觉和量子力学的经验现实之间的又一个鸿沟。

对于薛定谔和他同时代的人来说,科学的进步将涉及到研究某些形而上学观点的局限性。

薛定谔的猫,半生不熟,半死不活,是为了说明系统的纠缠是如何导致宏观现象的,这违背了我

们对物体及其属性之间关系的通常理解:像猫这样的有机体不是死就是活。没有中间地带。

大多数当代关于客体与属性之间关系的哲学论述,仅仅是从空间非定域性的角度来看待纠缠。

但仍有大量工作要做合并时间非定域性,不仅在对象属性的讨论,而且在争论材料组成(如一块粘土和雕像的关系形式),和part-whole关系(如手如何关联到它的一个肢体,或肢体的人)。

例如,“拼图”如何与整体整体相适应,假定底层组件之间有明确的空间边界,而空间非本地则反对这种观点。时间的非局部性使这幅图更加复杂:一个人如何描述他的组成部分根本不存在的实体?
识别纠缠的本质有时可能是一个不舒服的项目。对于像Megidish这样的物理学家和其他物理学家进行的一项引人入胜的新研究,究竟什么是实质性的形而上学,尚不清楚。

在一封致爱因斯坦的信中,薛定谔挖苦地说(并运用了一个奇怪的比喻):“人们有这样一种感觉,那就是新理论中最重要的表述,可以真正被塞进这些西班牙人的皮靴里——但只是有困难。”

我们不能忽视未来形而上学中空间或时间的非局部性:不管靴子是否合适,我们都得穿。

Elise Crull是纽约城市学院历史学和科学哲学的助理教授。她是即将出版的《爱因斯坦悖论》的合著者:1935年关于非定域性和不完全性的辩论。