EPR效应，时间演化与多世界图像

爱因斯坦，波多尔斯基和罗森（名字的首字母是EPR）描述了当两个量子系统相互纠缠时表现出的奇异现象。EPR效应与特定的、实验可实现的带有互补性的量子纠缠形式密切相关。

对于一对处于EPR中的两个量子蛋糕，我们可以测量它的形状或者颜色（但不能同时测量两种性质）。假定我们制造了很多这样的“对”且它们全部相同。如果我们测量一对中的一个量子蛋糕，我们发现它们是方是圆的概率相等，如果我们测量颜色，那么我们会发现是红是蓝的概率相等。

如果我们同时测量两个处于纠缠态的量子蛋糕，有趣的事情就发生了。如果测量两个量子蛋糕的颜色或者两个量子蛋糕的形状，我们发现结果始终完全相同。事实上，一旦测量到一个量子蛋糕是红色，那么之后测量的另一个量子蛋糕也一定是红色。另一方面，如果我们测量一个量子蛋糕的形状，之后再测量另一个量子蛋糕的颜色，两者就没有什么关系。如果测量的第一个量子蛋糕的形状是方形 ，那么第二个量子蛋糕是蓝色或红色的概率相等。

根据量子理论，即使将处于纠缠的两个子系统分离很远且测量几乎是同时的，这些现象依然存在。选择在某处测量影响了另一个位置的子系统的状态。爱因斯坦将它成为“鬼魅般的超距作用”，这似乎需要信息以超光速传播。

但是这样吗？在我知道你的测量结果之前，我不知道会发生什么。当我得到你测量的结果时我获得了有用的信息，但已不是在你测量的那一刻。任何传递你测量结果的信息都必须以比光速慢的某种物理方式传输。

如果进行更深入的思考，这个悖论就不再成立。事实上，让我们再次考虑第二个系统的状态，此时第一个系统已经因为测量而呈现红色。如果我们选择测量第二个量子蛋糕的颜色，我们肯定会得到红色。但正如我们前面讨论的，当引入互补性时，如果我们选择测量量子蛋糕的形状，当它处于“红色”状态时，我们测量得到方形或圆形的概率相等。因此，EPR的结果非但没有引入悖论，反而是逻辑的必然。从本质上讲，这只是对互补性的重新包装。

相距很远的两件事是相互关联的，这也不是悖论。毕竟，如果我把一副手套的每一只都放进盒子里，然后寄到地球的另一边，我应该不会感到惊讶，通过观察一个盒子里的手套，我可以确定另一个盒子里手套是左手还是右手。类似地，在所有已知的情况中，当EPR每一个子系统很接近时，它们之间的关联必须被记下来，这些关联有可能在两者相互远离的过程中保留下来。同样，EPR的的怪异之处不是像这样的关联，而是它可能以互补性的形式体现出来。

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时间演化与多世界图像

因为纠缠，我们不可能给多个量子蛋糕都指定唯一的、独立的状态。类似的考虑也适用于单个量子蛋糕在时间上的演化。

当我们不可能在每一时刻给我们的系统分配一个确定的状态，我们说我们有“纠缠的历史”。类似于我们通过消除一些可能性来获得传统的纠缠，我们可以通过测量所发生事件的部分信息来创建纠缠历史。在最简单的纠缠历史中，我们只有一个量子蛋糕，我们在两个不同的时间测量它。我们可以想象这样的情况：在两个时间确定量子蛋糕的形状都是正方形的，或者在两个时间都是圆形的，但是我们的测量无法确定是上面两种情况的哪种（测量只获得部分信息）。这是上述最简单的纠缠的时域版本。

我们使用一个稍微复杂一点的方法，我们可以在这个系统中增加互补性，同时在某种情况下显示出“多世界”的特征。我们的量子蛋糕可能预先处于红色状态，并且在随后的时间被测到处于蓝色状态。在上面的简单例子中，我们不能在中间时间一致确定量子蛋糕的颜色属性，它也没有确定的形状。这类历史以有限但精确可控的方式展现了多世界图像的特征。一个确定的状态可以先分裂成不同的历史轨迹，然后再重新合成到一个确定的态上。

埃尔温·薛定谔是量子理论的奠基人之一，但他对量子理论的正确性深表怀疑，他强调，量子系统的演化会让被测量的态具有非常不同的性质。他著名的“薛定谔猫”态，把量子不确定性扩展到猫的死亡问题上。在测量之前，正如我们在例子中所看到的，我们不能将活（或死）的状态赋予给猫。

日常用语不适合描述量子互补性，部分原因是互补性并不来自于日常经验。根据猫的生和死的不同，猫与周围的空气分子及其他物体发生不同的相互作用。因此，测量是自发进行的，它决定了猫的生与死。但纠缠历史所描述的量子蛋糕，才是真正的薛定谔猫。要想完整描述它们，在演化过程中的时间点，我们需要考虑两个互不相容的性质——轨迹。

在可控实验中实现纠缠历史是十分微妙的，因为它需要我们收集有关量子蛋糕的部分信息。传统的量子测量通常在同一时间收集完整的信息，例如，它们确定一个量子蛋糕的形状或颜色，而不是整体系统的部分信息。但这是可以做到的。这样，我们就可以给量子理论中“多世界”的涌现给出明确的数学和实验意义，并研究它的实质。

作者：Frank Wilczek

审校：xux