爱因斯坦错了吗？爱因斯坦与玻尔的对决：EPR实验

为了解释量子奇怪的特性，波尔开创性的提出了“不确定性原理”，然而爱因斯坦极不喜欢这个理论。为了反驳玻尔的不确定性原理，爱因斯坦冥思苦想了很多年，终于在 1935 年 5 月和另外两位科学家一起，想出了一个能够驳倒玻尔的思想实验，这就是大名鼎鼎的“EPR 实验”。

这到底是一个什么样的实验呢？要想明白它，先要了解点前置知识。首先，科学家们通过实验发现电子有“自旋”的特性（但请注意，所谓“自旋”，并不是说电子真的在像陀螺一样旋转，这只是量子力学中的一个属性），而且电子的自旋还有一种特别奇怪的地方：只有两个自由度。比如说，如果我们从电子的上方观察电子，那么电子要么是自旋朝上的，要么是自旋朝下的。但是，如果我们改为从侧面去观察电子，电子就变成了要么是自旋朝左，要么是自旋朝右的。

接下去，物理学家又发明了一个装置，称为偏振器，它可以对电子进行筛选，比如，只允许自旋朝上的电子通过，或者只允许自旋朝左的电子通过。当科学家们利用偏振器对电子做实验时，出现了一个令人无比诧异的结果：

首先，我们让一个电子飞向这个偏振器，如果通过去了，说明这个电子是自旋朝上的。然后，在这个偏振器后面再放一个同样的偏振器，此时，电子 100% 通过了下一个同样的偏振器，这完全符合人们的预期。如果我们把第二个偏振器换成一个向右的偏振器，电子有50% 的概率能通过 2 号偏振器（因为自旋朝上的电子有一半是自旋朝左，有一半是自旋朝右）。实验做 100 次，大约飞过去 50 个，次数越多，就越准确。

下面，我们就要见证令人感到无比怪异的关键实验了。我们在后面再放一个向上的 3 号偏振器。按照正常逻辑，这个电子应该百分之一百地通过 3 号偏振器，但让物理学家们大跌眼镜的是，实验的结果是，这个电子仍然只有 50% 的概率通过 3 号偏振器，尽管 3 号和 1 号都是上偏振器。

这意味着：不可能在两个不同的方向同时测准电子的自旋态！

看到这样的实验结果啊，以玻尔为首的哥本哈根学派开心坏了。玻尔认为，这是电子不确定性原理的最佳证据，电子本身不存在确定的自旋态。在测量之前，电子处在所有自旋态的叠加状态，去追问到底是哪个态，对不起，这个问题没有意义！

就是在这样的背景下，爱因斯坦提出了 EPR 实验：

首先，我们在实验室中制备一对总自旋为零的电子对（这在理论上是有可能实现的，只是当时在技术上还做不到）。

然后，我们让这一对电子分开，蓝电子朝左边飞，红电子朝右边飞，让他们分离得足够远，比如说一个飞到上海，一个飞到北京。我们在北京和上海各放一个偏振器，现在，假设两个电子都通过了偏振器，假设红电子是自旋朝上的，因为总自旋为零，由此可知蓝电子必是自旋朝下的。假设蓝电子通过了右偏振器，即蓝电子是自旋朝右的，那么红电子必然是自旋朝左的。这样一来，我们就确定了红蓝电子在两个方向上的自旋态了。

可见，不是电子有什么神奇的叠加态，不确定性原理本质上就是因为测量行为干扰了电子的自旋态，只要我们不去测量，它们的自旋态还是确定的！

这个大招太厉害了！令人感觉无懈可击。1935 年，整个物理学界都在关注这个 EPR 实验。当然，玻尔也不会坐以待毙，他在后来反击道：EPR 实验中有一个关键性的假设是错误的，那就是——测量红电子的行为不会影响蓝电子，测量蓝电子不会影响红电子。但实际上，红蓝电子处于一种神奇的量子纠缠态中，不论他们离得有多远，只要对其中一个进行测量，立即就会干扰另外一个。

这就是著名的 EPR 实验之争。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者： 科学声音

审核：北交大物理实验室高级工程师 周晓亮

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司