当两个粒子纠缠在一起时，其中一个的状态与另一个的状态绑定在一起。
2022年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，他们在理解最神秘的自然现象之一:量子纠缠方面做出了开创性的贡献。
用最简单的术语来说，量子纠缠意味着纠缠对中一个粒子的方面依赖于另一个粒子的方面，无论它们相距多远或它们之间有什么。例如，这些粒子可以是电子或光子，而一个方面可以是它所处的状态，例如它是否在向一个方向“旋转”。
量子纠缠的奇怪之处在于，当你测量纠缠对中的一个粒子时，你会立即知道另一个粒子的情况，即使它们相隔数百万光年。这两个粒子之间的这种奇怪联系是瞬间发生的，似乎打破了宇宙的基本定律。阿尔伯特·爱因斯坦将这种现象称为“幽灵般的超距作用”。
由于越来越精确和可靠的仪器，以及诺贝尔奖得主阿兰·奥派森、约翰·克劳瑟和安东·塞林格的工作，物理学家们现在以一种超乎寻常的确定性，将量子现象整合到他们对世界的认识中。
然而，直到20世纪70年代，研究人员仍然对量子纠缠是否真实存在存在分歧。而且有充分的理由——谁敢反驳伟大的爱因斯坦?新的实验技术的发展和大胆的研究人员终于解开了这个谜团。
Schrödinger著名的猫同时是死的和活的思想实验生动地捕捉到了这一效应。
粒子同时以多种状态存在
要真正理解量子纠缠的怪异之处，首先要理解量子叠加。量子叠加是指粒子同时以多种状态存在。当进行测量时，就好像粒子选择了叠加态中的一种状态。
例如，许多粒子具有一种称为自旋的属性，根据分析仪的给定方向，它可以被测量为“向上”或“向下”。但在你测量一个粒子的自旋之前，它同时存在于自旋向上和自旋向下的叠加态中。
每个状态都有一个概率，并且可以从许多测量中预测平均结果。单个测量值上升或下降的可能性取决于这些概率，但其本身是不可预测的。
虽然很奇怪，但数学和大量的实验表明，量子力学正确地描述了物理现实。
量子叠加的现实
量子纠缠的诡异之处来自于量子叠加的现实，这一点对于在20世纪20年代和30年代发展量子力学理论的量子力学创始人来说是很清楚的。
为了制造纠缠的粒子，你基本上把一个系统分成两个部分，其中部分的总和是已知的。例如，你可以把一个自旋为0的粒子分成两个自旋相反的粒子，这样它们的和就等于0。
爱因斯坦在1935年指出了量子纠缠的一个明显问题，这促使爱因斯坦将量子纠缠描述为“超距作用”。
1935年，阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森发表了一篇论文，描述了一个思想实验，旨在说明量子纠缠看似荒谬的现象，挑战了宇宙的基本定律。
大卫·玻姆提出了这个思想实验的简化版本，考虑了介子粒子的衰变。当这个粒子衰变时，它会产生一个电子和一个正电子，它们的自旋方向相反，并且相互远离。因此，如果测量到电子自旋是向上的，那么测量到的正电子自旋只能是向下的，反之亦然。即使粒子相距数十亿英里，这也是正确的。
如果电子自旋的测量值总是向上的，而正电子自旋的测量值总是向下的，这就没问题了。但由于量子力学，在测量之前，每个粒子的自旋都是半向上半向下的。只有当测量发生时，自旋的量子态才会“坍缩”成向上或向下——另一个粒子会瞬间坍缩成相反的自旋。这似乎表明，粒子通过某种比光速更快的方式相互交流。但根据物理定律，没有什么能比光速更快。当然，一个粒子的测量状态不能立即决定宇宙远端另一个粒子的状态?
20世纪30年代，包括爱因斯坦在内的物理学家对量子纠缠提出了许多不同的解释。他们的理论是，在测量之前，有一些未知的属性——被称为隐藏变量——决定了粒子的状态。但当时，物理学家既没有技术，也没有明确的测量定义，无法测试量子理论是否需要修改以包含隐藏变量。
量子理论需要修正吗?
直到20世纪60年代才有了答案的线索。约翰·贝尔是一位杰出的爱尔兰物理学家，但没能活着获得诺贝尔奖，他设计了一个方案来测试隐变量的概念是否有意义。
贝尔提出了一个现在被称为贝尔不等式的方程，它对隐变量理论总是正确的，而且只对隐变量理论是正确的，但对量子力学并不总是正确的。因此，如果在现实世界的实验中发现贝尔方程不被满足，那么局部隐变量理论就可以被排除作为量子纠缠的解释。
2022年诺贝尔奖得主的实验，尤其是阿兰·奥派西的实验，是对贝尔不等式的首次检验。这些实验使用了纠缠的光子，而不是像许多思想实验那样使用电子和正电子对。结果最终排除了隐变量的存在，隐变量是一种神秘的属性，可以预先决定纠缠粒子的状态。总的来说，这些实验和许多后续实验证明了量子力学的正确性。物体可以以量子力学之前的物理学无法解释的方式在很远的距离上相互关联。
重要的是，这与狭义相对论也没有冲突，狭义相对论禁止超光速通信。远距离测量是相关的这一事实并不意味着信息在粒子之间传递。相隔很远的两方在对纠缠粒子进行测量时，无法利用这种现象以超过光速的速度传递信息。
今天，物理学家继续研究量子纠缠并探索潜在的实际应用。尽管量子力学能够以令人难以置信的精度预测测量的概率，但许多研究人员仍然怀疑它是否提供了对现实的完整描述。不过，有一件事是肯定的。关于量子力学的神秘世界，我们还有很多话要讲。