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量子纠缠现象是什么

简介:
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量子纠缠?这听上去是一个很高端大气上档次的词汇,很容易让人心生怯意,吓得人倒退三步。量子就已经够奇怪的了,一提起来就感觉发蒙,但大概还能知道是怎么回事,现在还要“纠缠”在一起,这到底是个什么情况?看着它,似乎脑子里的量子就已经开始发挥效应,纠缠成一团了。

但我们还是洗一把脸,平心静气地坐下,来认真学习研究一下,看看它到底是怎么回事吧。

这还要爱因斯坦所提出的一个思想实验说起。

量子力学所提出的基本原理,主要是所谓的哥本哈根解释,改变了人们认识世界的观点。这其中主要包括了两点:一是对客观现实世界的否定,即认为在我们观察前,不存在一个客观真实的世界;二是对因果论的否定,其随机的概率选择似乎没有什么理由可言。由于相同的因可以出现不同的结果,因此这几乎动摇了经典物理世界的根基,挑战了整个决定论。也因此,量子论从诞生起就遭到了众多物理大师的强力狙击,而这其中的代表人物就是大名鼎鼎的爱因斯坦。

为了向人们展现出量子论的荒谬之处,爱因斯坦提出了许多著名的思想实验,这其中最为著名的就是关于量子纠缠的EPR实验。之所以叫EPR实验,是因为这个实验是在爱因斯坦和他的两个盟友波多尔斯基和罗森共同发表的一篇论文中提出的,这篇论文叫做《量子力学对物理实在的描述可能是完备的吗》,而三个人名字的首字母便成为了这个实验的代名词。

在这个实验中,爱因斯坦想象出了这样一个场景:一个粒子,它本身自旋为0,但它不稳定,很快就衰变了,分裂为了两个小粒子,分别向相反的方向飞去。这时,两个粒子分别有自己的自旋方向,而为了保持守恒,这两个粒子的自旋方向一定是相反的,一个是“左”,另一个是“右”,而绝不会是两个左或者两个右。也就是说,它们必须保持处于相反状态的关联性。

那么,依据量子论的观点,在我们观察这两个粒子之前,他们都是处于叠加态的,也就是说每个粒子都可能是左,也可能是右,是不确定的。而当我们观察其中一个粒子时,它们的波函数坍缩了,于是,其中的一个变为了左,而另一个同时变为了右。要记住,是“同时”,这是一个没有消耗任何一丁点时间的过程。

那么,问题来了。他们是怎么保持联系沟通的呢?为什么在其中一个粒子坍缩为“左”的同时,另一个一定坍缩为“右”呢?这是一个完全随机的决定,他们并没有彼此商量,那如何能保证两个随机的事件的结果一定相反呢?这看起来它们就好像存在一个非常快的沟通信号,就像我们两个人在拿着电话,说:“你选的是左是吧,那好,我就来选右吧。”这样就能保持联络,而不至于出洋相被人嘲笑了。

但是,还存在一个问题。这两个粒子是在往相反方向飞的,我们在试图探测它们时,它们已经飞出去了一段距离。这段距离可以非常短,比如几米,也可以非常长,比如几亿光年。在非常短的距离内,它们可能打电话以光速互相沟通,表现得好像很默契。可是,假如一个在银河系,一个在仙女系,它们如何能及时保持联络呢?要知道,爱因斯坦的相对论要求没有信息的传递速度可以超越光速啊!会不会出现银河系和仙女系的人都测量到左的情况呢?

我们知道不可能出现这种互相矛盾的情况,那就必须要有瞬时信号沟通,而爱因斯坦将这种超远距离的信息沟通称为“幽灵般的超距作用”,其实他是意在讽刺这就如幽灵一般虚幻而难以探知,从而否定这种观测后才确定的思维。假如真的存在这种现象,就违反了相对论,爱因斯坦是绝不同意的。

那么,爱因斯坦认为,既然不可能存在超光速的信号,就只有一种可能,那就是,在两个粒子分离的那一刻,其自旋状态就已经确定了。这已经是一个客观事实!人们的观测仅仅是得到了这个信息而已,并没有对其造成什么坍缩的实质影响。这就是基于经典实在观点的解释:一切都是确定的,已经发生的。而这与量子论的观点截然对立,量子论说,只有在观察的一刹那,它们的状态才因坍缩而确定下来。

形象地说,这就像两个人分别带着一个皮箱旅行,里面分别是两只手套,一左一右,一人去北京,一人去广州。经典观点认为,在两个人出发时,这两个手套就分好了,我们打开箱子的时候只是确认了这一点。量子论认为,两个人出发时,两个箱子里分别都只有孙悟空身上的一根毫毛,打开箱子时,孙悟空在天上吹了口气,两根毫毛分别在那时变成了两只手套。而孙悟空干的这事,就是那“幽灵般的超距作用”,也就是“量子纠缠”,它们虽然相隔很远,但似乎仍然有一个线将它们缠在一起,所以形象地称为“量子纠缠”。

那么,你可能会想,如何来验证到底是哪一种情况呢?

是的,聪明的科学家通过思考找到了这个方法,而且已经付诸行动。那么宇宙的天平会倒向哪一边呢?爱因斯坦所创造设计这个实验是否如他所想,证明了宇宙的客观真实性呢?具体的理论方法和实验过程就不细说了,我们只说结果。结果就是,实验证明:爱因斯坦输了!

他被一记重拳击倒在地,留下他孤身一人躺在地上思考人生了。两个粒子,虽然相隔甚远,一个远在天边,一个近在眼前,可它们仍然表现出了难以置信的协调性。它们确实存在着超距作用!对一个粒子的测量会瞬间影响另一个!这对情侣虽然已经分手了,却仍然藕断丝连,心还纠缠在一起。

这让人觉得有些诡异,似乎为心灵感应提供了理论基础。该如何去理解呢?

按照科学正统的说法,量子纠缠现象的存在否定了世界的定域实在性的。也就是说,对于这个现象,我们只有两种选项,一种是承认在我们观察前,不存在一个客观真实的世界,也就是量子力学的说法。在我们观测前,一切都不存在,根本就不存在什么粒子、自旋等等,只有一缕波在扩散,在观察的一瞬间,整个系统才变为现实,这就保持了两个观测到的粒子的协同性;另一种则是承认存在超光速的瞬时沟通信号,两个粒子是客观存在的,但它们仍然“纠缠”在一起,以一种幽灵般的方式在实时沟通,这样也可以保持这种协调性。然而,无论选择哪一个,我们都需要做一个“艰难的决定”,放弃另外一个。

这就颠覆了人们的世界观。

要么,承认宇宙是一种看似虚幻的存在,即你所认知的世界并不是一种真实的存在,只有观察才让你看到了一个世界。要么,承认宇宙中有一些奇妙的作用,超越时空的“量子纠缠”。科学正统似乎偏向前者,不知道你会选择哪一个?

“量子纠缠”的存在也给我们带来了新的幻想。假如我们还是选择相信存在一个客观真实的世界,那就需要存在超光速的信号沟通,至少在量子层面是如此,这些粒子纠缠在一起。那么,我们可以推想,宇宙自一场大爆炸而来,而在大爆炸之前,一切源于一个奇点,爆炸后才分离产生了各种粒子,然后进一步形成了万物。既然粒子可以纠缠,那由粒子形成的万物是不是仍然纠缠在一起?宇宙空间真的存在吗?空间是否只是一种假象,而我们也从未演化?

也许至今,我们整个宇宙仍然“纠缠”在一起。



原文发布时间为:2018.02.14
本文作者:风中叶飘
本文来源:简书,如需转载请联系原作者。

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