本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
简而言之，深不可测：这就是科学中伟大发现的定义。从相对性原理到自然选择进化论，支配我们世界的概念实际上并不难陈述。它们的含义和暗示——嗯，那是另一回事。量子纠缠也是如此。纠缠是有史以来最重要的发现之一，其描述相当简单，但尚未得到任何认真的理解。物理学家甚至还没有从这种现象的存在中回过神来。
我和我的同事约翰·马特森和玛丽·卡梅莱克一起，在《大众科学》的电影大师埃里克·奥尔森的帮助下制作的两部分视频，戏剧化地展现了纠缠。第一部分用比喻的方式呈现它；第二部分将在物理实验室中展示真实的麦考伊。这部影片沿着过去几十年中发生的原始科学论证的简化版本的稳步进展的脚步前进。不仅理论得到了简化，实验装置也得到了简化。它现在可以放在客厅的边桌上，并很快应该成为大学物理课（面向诗人）的标准练习。
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纠缠的基本点是，空间上分离的位置的物体的行为是随机的，但又是协调的。两个（或更多）粒子表现为一个不可分割的系统，无论它们相距多远。事实上，即使说“粒子”的复数也是错误的；我们把它们看作是独立的个体部分，但它们拥有无法分割的集体属性。在 20 世纪 30 年代，阿尔伯特·爱因斯坦认为，为了让纠缠粒子以这种协调的方式行为，要么它们的行为必须预先编排好，要么它们必须在飞行中偷偷地互相影响。这种影响不能通过中间空间传递——正如爱因斯坦所说，这将是“远距离的幽灵般的行为”。三十年后，物理学家约翰·贝尔设计了一个实验，排除了第一种可能性，留下了令人毛骨悚然的幽灵现象作为自然界的事实。
视频中的前两个纸牌魔术展示了爱因斯坦设计并在与鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森合著的一篇著名论文中发表的基本思想实验。第三个魔术展示了贝尔的阐述。他的基本见解是，编排一个简单的行为模式很容易，但要预先安排一个足够复杂的模式是不可能的。顺便说一句，如果你的朋友声称自己有通灵能力，你可以使用贝尔的方法。问一些正确类型的问题，除非他们真的有通灵能力，否则没有人能够回应。当然，人类没有通灵能力。但是粒子确实拥有心灵感应的能力，尽管这种能力非常有限。
一些技术细节：为了说明这个想法，我们忽略了概率在实际实验中起到的作用。如果约翰和我真的要利用纠缠，我们会产生一对纠缠光子，他拿走一个，我拿走另一个，然后我们每个人都会让自己的光子通过一个偏振滤光片，看看它是否从另一侧出现。视频中“左”或“右”牌的选择将对应于偏振器的方向。对于约翰，“左”是 0 度；“右”是 45 度。对于我，“左”是 22.5 度；“右”是 -22.5 度。假设没有实验缺陷，对于所有可能的方向排列，我们都看到相同结果的概率约为 85%，除非我们都选择“右”，在这种情况下，概率约为 15%。试图模仿纠缠的作弊者最多只能达到 75%。
我赶紧提到，一些物理学家和物理哲学家怀疑幽灵般的行为是否真的发生——对他们来说，粒子并不比人类更通灵。但即使在这种情况下，也必须发生一些同样奇怪的事情，才能产生幽灵般行为的错觉，例如大量平行宇宙、来自未来的消息，或对现实的根本整体的看法。没有办法完全避免这种怪异。研究人员还在争论，纠缠是否在精神上（即使不是在字面上）与爱因斯坦的狭义相对论相冲突，正如大卫·阿尔伯特和里夫卡·加尔钦在我们2009 年 3 月的封面故事中所讨论的那样。
抛开纠缠的含义不谈，关于这一现象本身还有很多有待了解。一个大问题是，为什么即使纠缠普遍存在，我们也没有在日常生活中注意到它。量子物理学家达戈米尔·卡兹利科夫斯基 最近提出了一种新的方法来解决这个问题。具有讽刺意味的是，答案可能在于纠缠的普遍性掩盖了它。
为了进一步解释纠缠的含义，我们还邀请了量子物理学家弗拉特科·韦德拉尔和物理学家历史学家大卫·凯泽来描述量子纠缠被接受的漫长而曲折的道路。从某种意义上说，纠缠非常奇怪，我们希望我们的视频不会揭开它的神秘面纱，而是使其更加神秘。