量子纠缠时间之谜

1935 年夏天，物理学家爱因斯坦和薛定谔就新量子力学理论的影响进行了丰富、多方面、有时甚至是焦躁不安的通信。

他们担心的焦点是薛定谔后来称之为纠缠的问题，两个量子系统或粒子相互作用后无法独立描述。

直到去世，爱因斯坦仍然坚信，纠缠表明量子力学是不完整的。薛定谔认为，纠缠是新物理学的决定性特征，但这并不意味着他可以轻易接受。

1935年7月13日，他在写给爱因斯坦的信中说，"我当然知道这种把戏在数学上是如何运作的。但我不喜欢这样的理论。

薛定谔那只著名的、悬浮于生死之间的猫首次出现在这些信中，是他们努力表达困扰两人的问题的副产品。

问题在于，纠缠违反了世界的运行规律。首先，信息的传播速度不可能超过光速。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局域性，即纠缠粒子之间似乎存在的联系。

如果两个量子系统相遇然后分离，即使相隔数千光年的距离，也无法测量其中一个系统的特征（如位置、动量和极性）而不立即将另一个系统引导到相应的状态。

迄今为止，大多数实验都是测试空间间隔上的纠缠。假设量子非局域性的 "非局域 "部分是指跨空间的属性纠缠。但如果纠缠也跨越时间呢，是否存在时间上的非局域性。

答案是肯定的。当你以为量子力学不会变得更奇怪时，耶路撒冷希伯来大学的一组物理学家在2013年报告说，他们成功地纠缠了从未共存的光子。

之前的实验采用了一种名为 "纠缠交换 "的技术，通过延迟测量其中一个共存的纠缠粒子，已经显示出了跨时间的量子相关性；但伊莱-梅吉迪什和他的合作者是第一个显示出寿命完全不重叠的光子之间存在纠缠的人。

他们是这样做的。首先，他们创建了一对纠缠的光子 "1-2"（下图中的步骤 I）。不久之后，他们测量了光子 1 的偏振（一种描述光振荡方向的特性）从而 "杀死 "了它（第二步）。

光子 2 被送上了一条狂奔之路，而新的纠缠对 "3-4 "也随之产生（第三步）。然后，光子 3 与巡回光子 2 一起被测量，这样，纠缠关系就从旧的光子对（"1-2 "和 "3-4"）"交换 "到了新的 "2-3 "组合上（第四步）。

一段时间后（第五步），测量唯一幸存者光子 4 的偏振，并将结果与早已死亡的光子 1 的偏振进行比较（回到第二步）。

时间线图(I) 光子 1 和 2 的诞生，(II) 光子 1 的探测，(III) 光子 3 和 4 的诞生，(IV) 光子 2 和 3 的贝尔投影，(V) 光子 4 的探测。

结果这些数据揭示了 "时间非局部 "光子 1 和光子 4 之间存在量子相关性。两个从未共存的量子系统之间会发生纠缠。

这究竟意味着什么呢，从表面上看，这就像说在遥远的过去，比如说超过地球寿命两倍的过去，星光的极性影响了今年冬天从你的业余望远镜中落下的星光的极性一样令人不安。

更离奇的是，也许这意味着你的眼睛对今年冬天透过望远镜的星光进行的测量在某种程度上决定了 90 多亿年前的光子的极性。

梅吉迪什和他的同事们不禁对他们的研究结果进行了一些可能的、相当诡异的解释，以免你觉得这种假设太离谱。

也许在第二步测量光子1的偏振时，会以某种方式引导光子4未来的偏振，或者在第五步测量光子4的偏振时，会以某种方式改写光子1过去的偏振状态。

无论是向前还是向后，量子关联都跨越了一个光子的死亡和另一个光子的诞生之间的因果空隙。

不过，只要来一勺相对论，就会让人觉得不可思议。在发展狭义相对论的过程中，爱因斯坦将同时性的概念从牛顿的基座上推翻。

同时性从绝对属性变成了相对属性。宇宙并不存在单一的计时器；某件事发生的确切时间取决于你相对于所观察事物的精确位置，也就是你的参照系。

要避免在时间分离的情况下出现奇怪的因果行为（引导未来或改写过去），关键在于接受这样一种观点，即把事件称为 "同时 "并不具有形而上学的意义。

它只是一个特定参照系的属性，是在众多可供选择但同样可行的参照系中的一个选择，一个约定俗成或记录保存的问题。

这一教训可直接用于空间和时间量子非局域性。关于纠缠粒子对的谜团，等同于相对论带来的标签分歧。爱因斯坦指出，没有任何事件序列可以在形而上学上享有特权，即可以被认为比其他任何序列更真实。只有接受这一观点，才能在解决量子难题方面取得进展。

实验中的各种参照系（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"。

虽然这些历史学家会对事情的经过产生分歧，但没有一个人可以声称自己掌握了真理。

根据不同的时空视角，事件在每一个历史学家的笔下都有不同的发展顺序。因此，任何试图普遍赋予特定框架属性或将一般属性与某一特定框架相联系的尝试，显然都会在历史学家之间引起争议。

但问题是，虽然在哪些属性应该归属于哪些粒子以及何时归属于哪些粒子的问题上可能存在合理的分歧，但在这些属性、粒子和事件是否存在的问题上却不应该存在分歧。

这些发现在我们钟爱的经典直觉与量子力学的经验现实之间又打上了一个楔子。正如薛定谔和他同时代的人一样，科学的进步需要研究某些形而上学观点的局限性。

薛定谔的猫半生半死，它的诞生是为了说明系统的纠缠是如何导致宏观现象的，而这种宏观现象违背了我们对物体及其属性之间关系的通常理解，像猫这样的有机体要么是死的，要么是活的。没有中间地带。

关于物体及其属性之间关系的当代哲学论述，大多只从空间非位置性的角度来看待纠缠。

但在纳入时间非位置性方面仍有大量工作要做，不仅是在物体属性的讨论中，而且在关于物质构成（如一坨粘土与它所构成的雕像之间的关系）和部分-整体关系（如手与肢体或肢体与人之间的关系）的辩论中。

关于部分如何与整体结合的 "谜题 "假定了基本组成部分之间清晰的空间界限，然而空间非位置性却对这种观点提出了警告。

时间上的非位置性使情况更加复杂，如何描述一个其组成部分甚至不共存的实体。

辨别纠缠的本质有时可能是一项令人不舒服的工作。目前还不清楚，在对梅吉迪什和其他物理学家等人的精彩新研究进行仔细研究后，会产生什么实质性的形而上学。

薛定谔在给爱因斯坦的一封信中狡黠地指出，人们感觉到，真正能挤进这双西班牙靴子的，恰恰是新理论中最重要的论述，但却很困难。

在未来的形而上学中，我们不能忽视空间或时间的非位置性，无论靴子是否合脚，我们都必须穿上它们。