用通俗的語言诠釋量子糾纏

奇幻之旅-神祕探索
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219 次觀看·2024年1月5日
在了解量子糾纏之前,首先需要明白量子力學中的兩個概念:波粒二象性和疊加態。
波粒二象性,很多人都應該聽說過,講的是微觀粒子同時具有兩種特性,波和粒子的特性,有時候表現出波的特性,有時候會表現出粒子的特性。
而波動性與粒子性疊加在壹起的狀態,就是所謂的“疊加態”。但就具體表現來講,疊加態並不僅僅指波粒二象性的疊加,還包括位置,偏振,動量,自旋等各種物理特性的疊加態。
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在瞭解量子糾纏之前
首先需要明白量子力學中的兩個概念
波力二向性和疊加態
波力二向性很多人都應該聽說過
講的是微觀粒子同時具有兩種特性
波和粒子的特性
有時候表現出波的特性
有時候會表現出粒子的特性
而波動性與粒子性疊加在一起的狀態
就是所謂的疊加態
但就具體表現來講
疊加態並不僅僅只波力二向性的疊加
簡單理解就是在微觀粒子被測量之前
它就一直處於各種疊加態
弄懂了這點再來看量子糾纏就更好理解了
由於每個粒子都有疊加態
那麼如果兩個微觀粒子通過某種方式結合在一起
這兩個微觀粒子原先具有的疊加態是獨立的
還是相互糾纏在一起的呢
答案是相互糾纏在一起的
相反的如果某個微觀粒子衰變成兩個更小的粒子
那麼這兩個粒子的疊加態是獨立的
還是相互糾纏在一起的呢
答案仍舊是相互糾纏在一起
也就是說兩個具有疊加態的粒子
一旦通過某種方式結合在一起
擁有某種共同的關係
即使兩者被分開甚至分開得很遠
它們的疊加態仍舊是糾纏在一起的
而這其實就是所謂的量子糾纏
而物理學上對量子糾纏的定義其實也是這樣的
當幾個粒子在彼此相互作用後
各個粒子所擁有的特性已綜合成爲整體性質
無法單獨描述單個粒子的性質
只能描述整體系統的性質
則稱這現象爲量子糾纏
舉個例子
如果一個自旋爲0的微觀粒子發生了衰變
衰變成兩個更小的粒子
由於這兩個粒子都是由同一個微觀粒子衰變來的
於是兩者一開始就建立起了某種聯繫
所以不管這兩個粒子未來相距多遠
它們之間都會存在某種聯繫
其實也就是一直處在量子糾纏狀態當中
量子糾纏不受空間和時間的限制
通俗理解就是兩個糾纏中的粒子
能無視空間和時間的存在
不管相距多遠
都能瞬間感應彼此
是不是違法愛因斯坦相對論中的光速限制了呢?
並沒有因爲量子糾纏的過程並沒有傳遞任何信息
說白了量子糾纏看似兩個粒子之間的關係
其實本質來講是一個系統的屬性
兩個粒子屬於同一個系統
通俗理解就是兩個粒子相當於是一個東西
拿自旋來舉例子
在沒有測量之前
糾纏中粒子的自旋方向一直處於疊加態
我們無法區分每個粒子的自旋方向
可以同時是朝上和朝下的
而不是朝上或者朝下
而任何測量行爲都會讓粒子的自旋方向
從朝上和朝下的疊加態坍縮爲
要麼朝上要麼朝下的確定狀態
而且如果測量到某個粒子的自旋方式爲朝上
那麼另一個粒子的自旋方向立刻就會坍縮爲朝下
根本不用再次測量
而測量行爲導致粒子從疊加態坍縮爲確定狀態
就是物理學術語講的觀測行爲導致波函數坍縮
能夠看出量子糾纏的過程
根本不存在速度的概念
糾纏中粒子的狀態改變是同時發生的
而如果存在速度的話
不管速度有多快一定會存在時間差
這個時間差其實與量子糾纏的概念是不符的
所以嚴格來講用瞬間和立刻等詞語
來描述量子糾纏過程其實都是不嚴謹的
不過通俗理解的情況下
我們可以這麼用我們心裏明白怎麼回事就行了
但以上只是理論的定義和分析
科學是嚴謹的光
有理論是不行的
還需要實驗來驗證不然很難有說服力
但尷尬的地方就在這裏
現實中我們根本無法通過實驗
來驗證量子糾纏的過程是同時發生的
這到底是爲什麼呢?
簡單講因爲我們測量到的時間精度
無論如何都是有限的
比如說把兩個糾纏中的粒子
放到相距30萬公里的兩個地方
時間精度可以精確到0.1秒
我們會發現
在這個時間精度下量子糾纏確實是同時的
但其實這並不是說明量子糾纏就是同時的
最多隻能說明量子糾纏的速度大於10倍光速
畢竟我們的時間精度只有0.1秒
如果我們將時間精度提高到0.01秒
在這個精度下可以認爲量子糾纏也是同時的
但是還會有人提出質疑
並不能說明是同時的
說白了在現實世界裏
我們不可能完全證明量子糾纏真的是同時的
只能測試量子糾纏的速度下限
並把這個下限不斷提升
而物理學界大佬愛因斯坦
堅決反對量子糾纏這種詭異現象
並稱量子糾纏爲鬼魅般的超劇作用
也因此出現了愛因斯坦和波爾兩位物理學界大佬
兩人的爭論才漸漸平息
關於貝爾不等式這裏就不想詳述了
簡單講就是貝爾不等式不成立波爾就對了
而貝爾不等式成立的話愛因斯坦就對了
而實驗觀察結果表明
貝爾不等式不成立
所以波爾對了愛因斯坦錯了
而在人們對違反貝爾不等式的實驗進行長期觀察之後
得出這樣的結論
這意味着什麼
意味着量子糾纏的速度至少能達到光速的一萬倍
而考慮到實驗過程中的時間精度一定是有限的
所以量子糾纏的速度絕對會比光速的一萬倍更高
隨着人類科技水平不斷提升
測量儀器的精度不斷提高
可以預見的是
未來測量到的量子糾纏的速度一定會更高
能達到光速的一億倍甚至更高
既然這樣這種測量量子糾纏速度的方式還有意義嗎
其實意義並不大
因爲不管未來的人類科技多麼發達
也不管電腦的算力有多高
最終得到的量子糾纏的速度下限都是光速的多少倍
也就是說有些理論很難通過實驗去最終驗證
那麼就讓我們把這個問題暫時擱置
來探討另一個問題
科學家早已明確量子糾纏的過程是超光速的
那麼這個超光速的過程到底是如何實現的呢
在目前的科學體系下
任何兩個物體的作用都需要某種介質才能實現
而在粒子標準模型中光子、焦子規範波色子
還有假想中的引粒子都是物體相互作用的介質
而這些介質傳播的速度上限就是光速
也就是說量子糾纏的過程
不可能涉及任何介質的傳播
不然就不可能超光速了
如此一來我們只能暫時從邏輯上來判斷了
總體來講可以通過兩種模式來理解量子糾纏
第一所謂的寡婦模型
具體是這樣的男性甲和女性乙相愛了幾年準備結婚
結婚之後兩人就具有了夫妻關係
相當於兩人糾纏在一起擁有微觀粒子的那種疊加態
兩人也共享這種疊加態
然後不幸的是出現了某一天假意外出車禍去世了
這樣的結局確實讓人惋惜讓人同情
但就事實而言在甲因車禍去世的同時
乙也就變成了一個寡婦
也就是說甲和乙就相當於糾纏中的粒子
甲出車禍去世就相當於我們測量了甲的狀態
而在我們測量的同時也會影響到乙的狀態
第二所謂的手套模型
這個模型本質上與寡婦模型大同小異
只是更通俗更容易理解具體來講是這樣的
把一副手套分別裝在兩個封閉的盒子裏
不管這兩個盒子相距多遠
只要打開其中一個盒子
發現是左手套
那麼另一個盒子裏的手套就是右手套
相當於我們能同時獲取兩個手套的狀態
理論上不會有任何時間差
以上兩種對量子糾纏邏輯上的解釋
能讓很多人愉快地接受
畢竟兩種解釋確實足夠通俗很容易理解
但事實上
以上兩種解釋並不嚴謹
科學就是這樣想要通俗
往往就意味着不嚴謹
而想要嚴謹
往往意味着有複雜的繪色難懂的詞彙
和高深的數學公式自然就不通俗了
而科普要做的就是通俗的基礎上
儘量做到嚴謹
不過還是以通俗爲主
畢竟科普的目的是讓大家明白
爲什麼說上面兩種解釋不嚴謹呢
還拿手套模型來說明
在我們打開其中一個盒子
發現是左手套時
蓋上盒子再打開肯定還是左手套
但這只是我們的宏觀日常生活經驗
實際上在量子糾纏領域並不是這樣的
如果手套是一個微觀粒子
在我們蓋上盒子再打開
並不一定還是左手套
可能會變成右手套了
這就是量子糾纏的真實狀態
兩個粒子的狀態都是不確定的疊加態
說白了任何一個盒子裏的手套
都是同時處於左手套和右手套的兩種狀態
只有在打開盒子的那一瞬間
手套的狀態纔會從
既是左手套又是右手套的疊加態
坍縮爲要麼是左手套
要麼是右手套的確定狀態
量子世界和量子糾纏就是這麼奇特
每次測量結果可能都不一樣
而愛因斯坦對量子糾纏這種怪異現象
感到匪夷所思
因爲愛因斯坦一直是決定論的支持者
也就是經典物理認爲
無論兩個粒子之間如何作用
一定要通過某種介質
所以任何粒子的相互作用速度都無法超光速
愛因斯坦表達的思想其實就是局域實在論
說白了就是宇宙中存在光速限制
在愛因斯坦看來
之所以量子糾纏會出現看起來超光速的現象
是因爲其中一定還有某種隱變量沒有被發現
正因爲隱變量的存在
所以愛因斯坦認爲
量子力學肯定是不成熟不完善的
這就引發了關於量子力學完備性的爭論
而爭論的焦點就在所謂的隱變量上面
其實也是剛纔所講的愛因斯坦和波爾爭論的焦點
以波爾爲首的哥本哈根學派認爲
只能用概率描述量子世界裏微觀粒子的行爲和狀態
也就是所謂的不確定性
如果說愛因斯坦還勉強能接受
哥本哈根學派的這種不確定性詮釋的話
那麼無論如何他都不能接受
量子糾纏這種超光速的行爲
畢竟當時對於量子世界的詭異行爲
除了哥本哈根詮釋也沒有別的更好的解釋
但量子糾纏的超光速現象直接動搖了相對論的根基
甚至動搖了最基本的因果律
這是愛因斯坦無論如何都不能接受的
於是1935年愛因斯坦就聯合波多爾斯基和羅森
三人一起提出了著名的EP《二陽廟》
發表了論量子力學對物理現實的描述是否是完備的
論文質疑哥本哈根詮釋的完備性
問題是提出來了但如何解決問題成了一個難題
直到物理學家約翰·貝爾的出現
他提出的貝爾不等式給出了用來驗證EP二陽廟的可行性實驗
實驗過程就不多說了
還是那句話
如果存在隱變量
貝爾不等式就成立愛因斯坦就是對的
否則如果不存在隱變量
而大量的實驗結果都指向了一個結果
貝爾不等式並不成立
也就意味着並不存在愛因斯坦提出的隱變量
愛因斯坦錯了是不是因爲光速真的被超越了
難道光速限制錯了嗎
剛纔也講了
量子糾纏的過程看起來確實遠超光速
但量子糾纏那並不依靠任何傳播子也就是介質
這意味着量子糾纏的過程並不會承載任何信息和能量
自然也不違反相對論中的光速限制
其實我們之所以認爲量子力學太詭異了
不符合我們的傳統認知
就是因爲我們會下意識地
用經典物理去衡量量子世界的行爲
而如果我們一開始就生活在量子世界裏
當然就不會認爲量子力學很詭異
反而會認爲宏觀世界的行爲會很詭異
也就是說我們不能用經典物理的理論套用量子世界
在量子世界裏一切都是模糊的
並沒有確定的行爲狀態
而觀測就會導致不確定性發生坍縮
讓我們看到確定的世界
比如說原子核外電子的狀態分佈就是不確定的
電子隨機出現在原子核周圍
我們只能計算出電子在某個位置出現的概率是多少
而不能確定電子一定會在某個地方出現
這與人類的觀測水平高低和精準度無關
因爲量子世界本來就是那樣的
電子的行爲本來就是不確定的
只能用模糊的概率去描述
而量子糾纏就是一種模糊的疊加狀態
這種狀態與距離的遠近沒有任何關係
從量子力學的角度來講
兩個糾纏中的粒子其實已經融合爲一個粒子了
之所以很多人無論如何都很難接受量子糾纏現象
就是因爲一直試圖把糾纏中的粒子
當作兩個獨立的粒子來思考問題
沒有真正把兩個粒子當作一個整體
就像一個原子
我們當然會認爲原子就是一個整體
但是如果我們把原子不斷放大
會看到原子內部幾乎都是空的
如果原子有一個體育場那麼大
那麼原子核只有綠豆的大小
而電子比一粒塵埃還要小
那麼放大後的原子還算是一個整體嗎?
肯定是一個整體
但對於如此空曠的原子
我們會不自覺地認爲不應該算是一個整體了
這就是我們認知上的誤區和侷限性
事實上不管把原子放大多少倍進行觀看
原子仍舊是一個整體
用同樣的方式理解糾纏中的粒子就很容易接受了
兩個糾纏中的粒子其實就是同一個粒子
只不過兩者相距很遠罷了
就相當於兩個糾纏粒子之間的縫隙非常空曠罷了
關於這一點確實有些違揹我們對基本粒子的常識認知
按照現有的科學體系
基本粒子才具有不可分離的整體屬性
而不可分離意味着不可能有任何縫隙存在
這也是爲什麼會有科學家提出高維空間的概念
來解釋量子糾纏
這種概念認爲所謂糾纏中的粒子
只不過是某個粒子在不同維度空間的表象而已
舉個通俗的例子來理解高維空間的解釋
比如說二維平面上有一個粒子
如果把二維平面捲起來就形成了三維空間
但是在二維空間來看會看到兩個粒子
會認爲二維平面的粒子多出了一個分身
這個分身在我們三維空間來看很容易理解
但二維空間就不好理解了
在二維空間看來粒子本身與其分身不管相距多遠
都能同時發生相互作用這太難理解了
殊不知粒子本身與分身本來就是同一個粒子
當然會同時發生作用了
那麼我們在三維空間裏觀察到的量子糾纏現象
是不是可以用高維空間的思想去解釋呢?
關於高維度的概念目前科學界並沒有定論
還沒有通過實驗來證明
更多的只是停留在數學概念裏
也許未來某天科學家們真的發現了高維度存在的證據
我們對於量子糾纏現象會恍然大悟
困擾我們這麼久的量子糾纏現象
原來這麼簡單啊
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