再聊量子纠缠
发布时间：2023-10-12 09:30:26 所属栏目：外闻 来源：网络
导读： 在研究微观领域的学问中，有一个重要的术语叫做“量子纠缠”，尽管已经进行了相关的普及讲解工作，但在网络这个平台之上观察到的其误导性表述依然十分严重，今天再次尽量以通
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在研究微观领域的学问中，有一个重要的术语叫做“量子纠缠”，尽管已经进行了相关的普及讲解工作，但在网络这个平台之上观察到的其误导性表述依然十分严重，今天再次尽量以通俗的方式来诠释量子纠缠。 在了解量子纠缠之前，首先需要明白量子力学中的两个概念：波粒二象性和叠加态。波粒二象特性，很多人都应该听说过，讲的是微观粒子同时具有两种特性，波和粒子的特性，有时候表现出波的特性，有时候会表现出粒子的特性。 而波动性与粒子性叠加在一起的状态，就是所谓的“叠加状态”。但就具体表现来讲，叠加态并不仅仅指波粒二象性的叠加，还包括位置，偏振，动量，自旋等各种物理特性的叠加态。 简单理解就是，在微观粒子被测量之前，它就一直处于各种叠加态。弄懂了这点，再来看量子纠缠就更好理解了。由于每个粒子都有叠加态，那么如果两个微观粒子通过某种方式结合在一起，这两个微观粒子原先具有的叠加态是独立的，还是相互纠缠在一起的呢？ 答案是：相互纠缠在一起的。相反地，如果某个微观粒子衰变成两个更小的粒子，那么这两个粒子的叠加态是独立的还是相互纠缠在一起的呢？ 答案仍旧是相互纠缠在一起。也就是说，两个具有叠加态的粒子一旦通过某种方式结合在一起，拥有某种共同的关系，即使两者被分开，甚至分开得很远，它们的叠加态仍旧是纠缠在一起的，而这其实就是所谓的量子纠缠。 而物理学上对量子纠缠的定义其实也是这样的，当几个粒子在彼此相互作用后，各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述单个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为“量子纠缠”。 量子纠缠不受空间和时间的限制，通俗理解就是，两个纠缠中的粒子能无视空间和时间的存在，不管相距多远都能瞬间感应彼此。 是不是违反爱因斯坦相对论中的光速限制了呢？并没有，因为量子纠缠的过程并没有传递任何信息，说白了量子纠缠看似是两个粒子之间的关系，其实本质来讲是一个系统的属性，两个粒子属于同一个系统。通俗理解就是：两个粒子相当于是一个东西！ 拿自旋来举例子，在没有测量之前，纠缠中粒子的自旋方向一直处于叠加态，我们无法区分，每个粒子的自旋方向可以同时是“朝上”和“朝下”的，而不是“朝上或者朝下”。 而任何测量行为都会让粒子的自旋方向从“朝上和朝下”的叠加状态，坍缩为“要么朝上要么朝下”的确定状态。而且，如果测量到某个粒子的自旋方式为朝上，那么另一个粒子的自旋方向立刻就会坍缩为朝下，根本不用再次测量。 而测量行为导致粒子从叠加状态坍缩为确定状态，就是物理学术语讲的“观测行为导致波函数坍缩”。 能够看出，量子纠缠的过程根本不存在速度的概念，纠缠中粒子的状态改变是同时发生的。而如果存在速度的话，不管速度有多快，一定会存在时间差，这个时间差其实与量子纠缠的概念是不符的。 所以，即使是严格层面上来讲，用“瞬间和立刻”等词语来描述近乎完美的量子纠缠理论的过程，其实都是不严谨的。不过，通俗理解的情况下，我们可以这么用，我们心里明白怎么回事就行了。 但以上只是理论上的定义和分析，科学是严谨的，光有理论是不行的，还需要实验来验证，不然很难有说服力。 但尴尬的地方就在这里，现实中我们根本无法通过实验来验证量子纠缠的过程是同时发生的。这到底是为什么呢？ 但其实这并不是说明量子纠缠就是同时的，最多只能说明量子纠缠的速度大于10倍光速，毕竟我们的时间精度只有0.1秒。 如果我们将时间精度提高到0.01秒，在这个精度下，可以认为量子纠缠也是同时的。但是还会有人提出质疑，认为量子纠缠的速度只是高于100倍光速而已，并不能说明是同时的。 说白了，在现实世界里，我们不可能完全证明量子纠缠真的是同时的，只能测试量子纠缠的速度下限，并把这个下限不断提升。 而物理学界大佬爱因斯坦坚决反对量子纠缠这种诡异现象，并称量子纠缠为“鬼魅般的超距作用”。也因此出现了爱因斯坦和玻尔两位物理学界大佬长达数十年的争论，直到贝尔不等式的出现，两人的争论才渐渐平息。 关于贝尔不等式，这里就不想详述了，之后我会单独写一篇关于贝尔不等式的科普。简单讲就是，贝尔不等式不成立，玻尔就对了。而贝尔不等式成立的话，爱因斯坦就对了。而实验观察结果表明，贝尔不等式不成立，所以玻尔对了，爱因斯坦错了。 而在人们对违反贝尔不等式的实验进行长期观察之后，得出这样的结论：量子纠缠的速度下限能达到光速的四个量级。 这意味着什么？意味着光量子纠缠的速度至少能达到光速的一万倍！而考虑到实验过程中的时间精度一定是有限的，所以，量子纠缠的“速度”绝对会比光速的一万倍更高。 随着人类科技水平不断提升，测量仪器的精度不断调高，可以预见的是，未来测量到的量子纠缠的速度一定会更高，能达到光速的一亿倍甚至更高。 既然这样，这种测量量子纠缠速度的方式还有意义吗？ 其实意义并不大，因为不管未来的人类科技多么发达，也不管电脑的算力有多高，最终得到的量子纠缠的速度下限都是光速的多少倍，仅此而已。也就是说，有些理论很难通过实验去最终验证。 那么，就让我们把这个问题暂时搁置，来探讨另一个问题：科学家早已明确量子纠缠的过程是超光速的，那么这个超光速的过程到底是如何实现的呢？ 在目前的科学体系下，任何两个物体的作用都需要某种介质才能实现。而在粒子标准模型中，光子，胶子，规范玻色子还有假象中的引力子都是物体相互作用的介质。而这些介质传播的速度上限就是光速。 也就是说，量子纠缠的过程，不可能涉及任何介质的传播，不然就不可能超光速了。 如此一来，我们只能暂时从逻辑上来判断了。总体来讲可以通过两种模式来理解量子纠缠。 第一，所谓的“寡妇模型”。具体是这样的，男性A和女性B相爱了，几年只有相爱的两人准备结婚，结婚之后两人就具有了夫妻关系，相当于两人纠缠在一起，拥有微观粒子的那种“叠加态”，两人也共享这种“叠加态”。 然后，不幸的事情出现了，某一天A意外出车祸去世了，这样的结局确实让人惋惜，让人同情。但就事实而言，A和B的夫妻关系在A因车祸去世的同时，B也就变成了一个寡妇。 也就是说，A和B就相当于纠缠中的“粒子”，A出车祸去世就相当于我们测量了A的状态，而在我们测量的同时，也会影响到B的状态！ 第二，所谓的“手套模型”，这个模型本质上与“寡妇模型”大同小异，只是更通俗更容易理解，具体来讲是这样的。 把一副手套分别装在两个封闭的盒子里，不管这两个盒子相距多远，只要打开其中一个盒子，发现是左手套，那么另一个盒子里的手套就是右手套，相当于我们能同时获取两个手套的状态，理论上不会有任何时间差。 以上两种对量子纠缠逻辑上的解释，能让很多人愉快地接受，毕竟两种解释确实足够通俗，很容易理解。 但事实上，以上两种解释并不严谨，科学就是这样，想要通俗往往就意味着不严谨，而想要严谨往往就意味着有复杂的晦涩难懂的词汇和高深的数学公式，自然就不通俗了。而科普要做的就是通俗的基础上尽量做到严谨，不过还是以通俗为主，毕竟科普的目的是让大家明白。 为什么说上面两种解释不严谨呢？ 还拿“手套模型”来说明。在我们打开其中一个盒子发现是左手套时，盖上盒子再打开，肯定还是左手套。 但这只是我们的宏观日常生活经验，实际上在量子纠缠领域并不是这样的，如果手套是一个微观粒子，在我们盖上盒子再打开，并不一定还是左手套，可能会变成右手套了。 这就是量子纠缠的真实状态，两个粒子的状态都是不确定的叠加态，说白了，任何一个盒子里的手套都是同时处于“左手套和右手套”的两种状态，只有在打开盒子的那一瞬间，手套的状态才会从“既是左手套又是右手套”的叠加态，坍缩为“要么是左手套，要么是右手套”的确定状态。而这种情况，就是所谓的“双手同时进行操作”。换言之，就是在一个手套上，可以同时戴两个不同的手套。 量子世界和量子纠缠就是这么奇特，每次测量结果可能都不一样。 而爱因斯坦对量子纠缠这种怪异现象感到匪夷所思，因为爱因斯坦一直是“决定论”的支持者，也就是经典物理，认为无论如何两个粒子之间的作用，一定要通过某种介质，所以任何粒子的相互作用速度都无法超光速。 爱因斯坦表达的思想其实就是“局域实在论”，说白了就是宇宙中存在光速限制。 在爱因斯坦看来，之所以量子纠缠会出现看起来超光速的现象，是因为其中一定还有某种隐变量没有被发现。正因为隐变量的存在，所以爱因斯坦认为量子力学肯定是不成熟不完善的。 这就引发了关于量子力学完备性的争论，而争论的焦点就在所谓的“隐变量”上面。其实也是刚才所讲的爱因斯坦和玻尔争论的焦点。 以玻尔为首的哥本哈根学派认为，只能用概率描述量子世界里微观粒子的行为和状态，也就是所谓的不确定性。 如果说爱因斯坦还勉强能接受哥本哈根学派的这种不确定性诠释的话，那么无论如何他都不能接受量子纠缠这种超光速的行为。毕竟当时对于量子世界的诡异行为，除了哥本哈根诠释，也没有别的更好的解释。但是随着科学技术的发展，人类终于找到了一种方法来证明量子世界的存在，那就是通过观测光子的运动来进行验证。 （编辑：南京站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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