宇宙紀錄片合集（共162集） P159 - 宇宙的構造03量子躍遷

就在日常現實之下 存在著一個令人驚嘆的世界 其中我們對宇宙的許多認知都是錯誤的 物理學家兼暢銷書作家布萊恩·格林帶你踏上一段顛覆人類經驗規則的旅 程為什麼我們從來不會看到事件逆向發生 根據物理定律 這是可以發生的 這是一個當我們探索宇宙最極端的領域時逐漸浮出 水面的世界 從黑洞到大爆炸 直至物質本身的核心 我會要他所要的 在這裡 我們的宇宙可能是眾多平行實境之一 三維世界可能只是一種幻覺 而且過去、現在與未來之間沒有區別 但是這怎麼可能呢 我們怎麼會對這麼熟悉的事物有這麼大的誤解呢 這讓我們煩惱嗎 當然會 自然法則中並沒有規定理論物理學家必須快樂 這是一種改變遊戲規則的觀點 為我們開拓出一個全新的可能性世界 即將揭曉的是微小原子與粒子的量子世界 這裡的規則似乎不可思議 從某種意義來說 事物不喜歡被固定在一個位置上 然而它們對宇宙中的一切都至關重要 量子力學與任何曾經進行的實驗之間都沒有爭議 它們揭示了現實本質的什麼呢 現在就透過NOVA在宇宙的結構上邁出量子躍進 NOVA的主要資金來源如下 大衛·H·柯克與 發現新知識 HHMI 並由公共廣播公司提供資金 以及來自像 你這樣的觀眾對你當地PBS電台的捐款 《宇宙的織網》的主要資金來自美 國國家科學基金會 發現從這裡開始 Alfred P Sloan基金會致力於支持原創研究 並促進公眾對科學、技術、工程和數學的理解 額外資金由亞瑟·維寧·大 衛基金會提供 該基金會致 力於透過教育強化美國的未來 美國能源部科學辦公室 以及喬治·D·史密斯基金 幾千年來 我們一直在努力解開宇宙運作之謎 而我們做得相當不錯 提出一組能描述星系、恆星與行星明確且確定運動的法則 但現在我們知道 在根本層面上 事情要複雜得多 因為我們發現了一套革命性的新定律 徹底改變了我們對宇宙的認識 從外太空 到紐約市的心臟地帶 再到微觀世界 我們對世界的看法已因這些詭異神秘的定律而改變 這些定律正在重新定義我們對現實的認識 它們是量子力學的定律 量子力學支配著每一件物質中的每一個原子和微小粒子 在恆星和行星中 在岩石和建築物中 也在你我身上 我們在日常生活中不會注意到量子力學的奇怪之處 但如果你知道該往哪裡看 它一直都在那裡 你只需要改變你的觀點 並深入到最小的尺度 到原子及其內部粒子的層次 在量子層次 支配這個微小領域的法則與支配大規模日常物體的熟悉法則看起來完全不同 一旦你見過它們 你對這個世界的看法就永遠不會一樣了 幾乎難以想像在最小的尺度下事情會變得有多離奇 但如果你可以造訪這樣的地方呢 那裡的量子定律是顯而易見的 那裡的人與物體表現得像微小的原子與粒子一樣 你會看到一場精彩的表演 這裡 物件會做出看似瘋狂的行為 在量子世界中 事物似乎不喜歡被局限在一個特定的位置 也不喜歡只遵循一條路徑 這幾乎像是事物在同一時間出現在多個地方一樣 這裡的行動可能立即對其他地方產生影響 即使那裡什麼人都沒有 而且這可能是最奇怪的事情之一 如果人們像原子內部的粒子一樣行動 那麼大多數時候 你將無法精確知道他們的位置 相反 它們可能出現在任何地方 直到你開始尋找它們為止 嘿 我要點他點的東西 那麼 我們為什麼會相信這些奇怪的定律呢 原因在於 過去75多年來 我們一直用這些定律來預測原子和粒子應該如何行為 而且在一次又一次的實驗中 量子定律總是正確的 這是目前我們所擁有的最佳理論 有數十億項證據支持量子力學 它通過了許多奇特預測的測試 量子力學與任何曾經進行的實驗之間都沒有爭議 量子定律在你觀察像原子這樣微小的尺度時會變得最明顯 但請考慮這一點 我由原子組成 你也是 所以我們周圍世界中的一切也都是如此 因此 這些奇特的量子定律不僅僅是在告訴我們微小事物的狀況 它們是在告訴我們現實的本質 我們是如何發現它們的呢 這些似乎與我們對宇宙的許多原有認知相矛盾的奇特法則 不久之前 我們認為自己已經大致弄清楚了 行星繞太陽運行的規則 球在天空中划出的弧線 水塘表面波紋是如何移動的 這些法則都是以一組稱為經典力學的方程式明確闡述的 它們讓我們能夠確定地預測物體的行為 一切看起來都似乎完全合乎邏輯 直到大約一百年前 當科學家們努力解釋光的一些異常特性時 特別是當氣體在玻璃管中加熱時所發出的光 當科學家透過棱鏡觀察這道光時 他們看到了從未預期到的現象 如果你加熱某種氣體並透過棱鏡觀察 會看到光線形成線條 不是你桌上一片切割玻璃所投射出的連續光譜 而是非常明確的線條 它不會散射出一種完整的彩虹光譜 它會散射出特定顏色的細長光束 這件事的來龍去脈實在令人費解 對於這些神秘的色彩線條的解釋將來自一群激進的科學家 他們在20世紀初正努力探索物質世界的基本性質 而且一些最令人驚訝的洞察力來自尼爾斯·波耳的思考 一位喜歡在打乒乓球時討論新想法的物理學家 波爾深信 這個謎團的解答就在物質的核心 也就是原子的結構中 他認為原子類似於微小的太陽系 由更小的粒子稱為電子圍繞原子核運轉 就像行星圍繞太陽運轉一樣 但是波爾提出 與太陽系不同 電子不能隨意地在任何軌道上移動 相反 只有某些軌道是被允許的 而他有一個非常驚人且完全違反直覺的想法 那是指電子有明確的狀態和固定的軌道 而且只有那些軌道 波耳指出 當原子被加熱時 其電子會變得激動 從一個固定的軌道跳躍到另一個軌道 每次向下的躍遷都會以特定波長的光的形式釋放能量 這就是原子會產生特定顏色的原因 這就是我們所說的量子躍遷 如果沒有這項量子躍遷 你只會看到原子在激發或退激時散發出一層色彩 但是這不是實驗室中所看到的情況 你看到的是非常鮮豔的紅色和非常鮮豔的綠色 正是量子躍遷產生了這種鮮豔的色彩 量子躍遷之所以令人驚訝 是因為電子直接從這裡移動到那裡 似乎沒有經過中間的空間 它彷彿火星突然從自己的軌道彈出 來到了木星的位置 波爾主張 量子躍遷源自電子與原子的基本且極其奇特的性質 它們的能量是以不可再分割的離散片段形式存在的 這些特定的最小量稱為量子 因此 電子只能佔據離散的、特定的軌道 電子必須處於這裡或那裡 而不在中間的任何地方 這與我們日常生活中所經歷的任何事物都截然不同 請想想你的日常生活 當你吃食物時 你認為你的食物是量子化的嗎 你認為你必須攝取一定量的最小食物嗎 食物並不是量子化的 但原子中電子的能量是量子化的 這非常神秘為什麼會這樣 儘管原子中的微小粒子以這種方式行動看起來神秘 但證據迅速累積 顯示波爾是正確的 在越來越多的實驗中 電子遵循的規則與行星或乒乓球不同 波爾的發現改變了遊戲規則 有了這幅新的原子圖像 波爾和他的同事們開始與公認的物理定律產生衝突 量子躍進只是開始 不久 波耳激進的觀點將使他與歷史上最偉大的物理學家之一正面對抗 愛因斯坦並不害怕新觀念 但到了1920年代 量子力學的世界開始朝向愛因斯坦不願看到的方向發展 一個與經典物理學所標誌的絕對確定預測 sharply 違背的方向 如果有人問愛因斯坦或其他當時的物理學家 什麼區別了物理學與 各種不切實際的猜測 他們會說那是因為我們能夠確切地預測事情 量子力學似乎讓這一切基礎動搖了 其中一個特別的實驗 後來被稱為雙縫實驗 揭露了量子的神秘之處 無出其右 如果妳尋找的是基於確定性的現實描述 妳的期待將會破滅 我們可以通過進行類似的實驗 而不是在微小粒子的尺度上 來很好地理解雙縫實驗及其如何劇烈地改變我們對現實的觀念 但就一般物體的尺度而言 就像你在保齡球場會看到的那些 但首先 我需要對球道做一些調整 你可能會預期 如果我將幾個球滾下球道 它們會被 屏障擋住 或者穿過其中一個縫隙並擊中後面的螢幕 事實上 這正是發生的情況 那些成功通過的球體總是直接擊中左側縫隙或右側縫隙後方的螢幕 雙縫實驗與此類似 只是不是使用保齡球 而是使用電子 它們小了數十億倍 你可以這樣想像 讓我們看看如果我丟出一堆這些球會發生什麼事 當電子被射向雙縫時 另一側發生了非常不同的情況 電子並非只打在兩個區域 而是在探測器屏幕上各處都出現 創造出條紋的圖案 包括一些就在兩個裂縫之間的地方 那正是你會認為應該被阻塞的地方 究竟發生了什麼 當然 對物理學家來說 即使在1920年代 這種模式也只能意味著一件事 海浪 海浪會做許多有趣的事情 是保齡球永遠不會做的 它們可以分裂 它們可以合併 如果我將一道水波經由雙縫射出 它會分成兩道 接著這兩組波就會互相交錯 它們的峰巒與山谷會相互結合 在某些地方變得更大 在其他地方則變小 有時甚至會互相抵消 水的高低對應螢幕上的亮度 這些山峰與山谷會在所謂的干涉圖樣中形成一連串的條紋 那麼 這些粒子電子是如何形成那種圖案的呢 一個電子怎麼會出現在波會到達的地方呢 粒子就是粒子 波就是波 為什麼粒子會是波呢 除非你放棄它是一個粒子的觀念 並去思考 啊 我以為是粒子的東西 原來是波 海洋中的波 那不是粒子 海洋是由粒子組成的 但海洋中的波浪卻不是粒子 而岩石不是波浪 岩石就是岩石 因此 一塊岩石是粒子的一個例子 海浪是海浪的一個例子 現在有人告訴你 一塊岩石就像海浪一樣 什麼 二十世紀二十年代 當這項實驗的一種版本首 次進行時 科學家們努力理解這種波浪般的行為 有些人懷疑 當電子在運動時 是否會擴散成波動 物理學家愛因斯坦·薛丁格提出了一個似乎能描述此現象的方程式 薛丁格認為這波動是延伸電子的描述 有點像是電子被分散開來 不再是點狀 而像是一團糊狀物 人們對這究竟代表什麼有著許多爭議 最終 一位名叫馬克斯·波恩的物理學家提出了 一個新且革命性的觀點 說明波動方程式所描述的內容 波動不是一個被抹開的電子 也不是科學中曾經遇過的任何其 他東西 相反地 他聲稱這是一 種真正特別的東西 一種機率波 也就是鮑恩主張 任何位置的波動 大小預測了在該處找到電子的機率 在波浪大的地方 那不是電子大多數所在之處 那才是電子最可能出現的地方 這實在很奇怪 對吧 因此 單獨的電子似乎是一團可能性 你不能問 電子現在在哪裡 你可以問 如果我在我這小部分空間裡尋找電子 那裡我找到它的可能性有多大 我意思是 這會讓任何人任何時候都感到煩惱 儘管聽起來很奇怪 這種描述像電子這樣的粒子如何移動的新方式實際上是正確的 當我射出一個電子時 我永遠無法預測它會落在哪裡 但如果我使用薛丁格方程式來找出電子的機率波 我可以非常確定地預測 如果我發射足夠多的電子 那麼大約有33 1%的電子會出現在這裡 7.9%的人最終會到那裡 依此類推 這類預測已經被實驗一再驗證 因此 量子力學的方程式被證明非常準確且精確 只要你能接受這一切都是關於機率的 如果你認為機率意味著你只能猜測 拉斯維加斯的賭場隨時準備證明你錯了 嘗試這些運氣遊戲中的任何一種 你就能體會到機率的力量 我們假設我在輪盤賭桌上下注20美元賭29號 這棟房子不知道我這次轉輪會贏 還是下一次 還是再下一次 一 但它知道我贏的機率 在這遊戲中 機率是三十八分之一 21 因此 即使有時我會贏一點 但長遠來看 賭場總是賺多賠少 重點在於 這棟房子不必知道任何 一場紙牌遊戲、擲骰子或輪盤賭的結果 賭場仍然可以確信 在數千 次的輪盤轉動、牌局和骰子遊戲中 他們最終會獲勝 他們可以精確地預測這發生的頻率 根據量子力學 世界本質上就像這樣一場機率的遊戲 宇宙中所有的物質都是由原子和亞原子粒子組成的 它們由機率所支 配而非必然性 根本上 自然現象是用 一種本質上具有機率性的理論來描述的 而且這與直覺完全相反 是許 多人難以接受的事情 有一位 難以接受的人就是愛因斯坦 愛因斯坦無法相信現實的本質 在最深層次上是由機遇所決定的 而這正是愛因斯坦無法接受的 愛因斯坦說過 上帝不擲骰子 他不喜歡我們無法確定這件事或那件事會發生的觀點 但許多其他物理學家並不太介意機率 因為量子力學的方程式讓他們能夠以驚人 的精確度預測原子和微小粒子群體的行為 不久之後 這種能力將引領一些非常重要的發明 雷射、電晶體、積體電路 整個電子學領域 如果量子力學突然罷工 我們美國境內的每一台機器幾乎都會停止運作 量子力學的方程式將有助工程師設計微小的開關 以引導微小電子的流動 並能控制目前幾乎所有電腦、數位相機與電 話我們所依賴的所有裝置 包括二極體、電晶體等 僅僅是資訊科技的基礎 也是各種日常生活中不可或缺的基礎 它們運作 而它們為什麼會運作呢 它們之所以運作 是因為量子力學 我幾乎想說 沒有量子力學 我們將回到黑暗時代 我想更準確地說 沒有量子力學 我們將回到19世紀 蒸汽機 電報信號 量子力學是我们物理學家有史以來發現的最成功的理論 然而我們仍在爭論它意味著什麼 它告訴我們關於現實本質的資訊 儘管量子力學取得了許多成就 它仍然深藏奧秘 它讓所有這些東西運作 但我們仍未解答基本的問題 愛因斯坦在1920到1930年代就提 出的關於機率與測量 以及觀測行為的問題 對尼爾斯·波耳來說 測量改變了一切 他認為在你測量或觀察粒子之前 它的特性是不確定的 例如 在雙縫實驗中的電子 在探測器於後方精確定位其 位置之前 它可能出現在任 何地方 有著各種可能性 直到你觀察它的那一刻為止 只有在那時 這個地點的不確定性才會消失 根據波爾對量子力學的觀點 當你測量一個粒子時 測量的行為會迫使粒子放棄它可能存在的所有位置 並選擇一個明確的地點來找到它 測量的行為迫使粒子做出這個選擇 尼爾斯·波耳接受現實本質上是模糊的 但愛因斯坦不這麼認為 他相信確定性 不僅是在某樣東西被測量或觀察時 而是在任何時候 正如愛因斯坦所說 即使我不看著它 我也喜歡認為月亮就在那裡 那就是愛因斯坦如此煩惱的原因 我們真的認為宇宙的現實取決於我們是否恰好睜開眼睛嗎 這簡直荒謬 愛因斯坦相信量子理論中有些東西遺漏了 一些能夠描述粒子所有細節特性的東西 例如它們的位置 即使你沒有在觀察它們的時候 但當時很少有物理學家與他有相同的擔憂 但愛因斯坦只認為這是放棄物理學家的職責 這並不是壞的物理學 只是完全不完整而已 那是愛因斯坦的論調 量子力學並非錯誤 它在它所涉及的範圍內是正確的 但它並不完整 它無法完整地捕捉所有可以明確說出或預測的事物 儘管愛因斯坦提出了論點 尼爾斯·波耳仍然不為所動 當愛因斯坦重複說「上帝不擲骰子」時 波耳回應道：「別告訴上帝該做什麼 」 但是1935年 愛因斯坦認為他終於找到了量子力學的阿基里斯之踵 一種如此詭異 與所有對宇宙的邏輯觀點背道而馳的事物 他認為這正是證明該理論不完 整的關鍵 這被稱為量子糾纏 量子力學所做出最荒謬、最離奇、 最瘋狂、最可笑的預測就是量子糾纏 量子纠缠是一種來自量子力學方程的理論預測 兩個粒子如果靠得很近 它們的性質就會相互關聯 從而產生糾纏 難以置信的是 量子力學指出 即使將這些粒子分開 它們朝相反方向移動時 仍能保持糾纏 無法分割的連結 要理解這有多麼奇怪 可以考慮電子的一種特性 稱為自旋 與陀螺不同 電子的自旋 如同其他量子特性一樣 在你測量的那一刻之前 通常都是完全模糊且不確定的 當你這麼做時 會發現它不是順時針旋轉就是逆時針旋轉 這有點像這個輪子 當它停止轉動時 會隨機停在紅色或藍色上 現在想像另一個輪子 如果這兩個輪子像兩個糾纏的電子一樣行為 那麼每次其中一個停在紅色時 另一個必定會停在藍色 反之亦然 現在 由於輪子並未連接 這已經夠可疑的了 但尼爾斯·波耳及其同事所接受的量子力學更進一步 預測如果其中一人遠在異處 即使是在月球 上 沒有任何電線或發射器將他們連接起來 即使如此 如果你看到其中一個是紅色 另一個一定是藍色 換句話說 如果你在這裡測量一個粒子 不僅會影響這個粒子 你的測量也會影響它所糾纏的伴侶 不管它們有多遠 對愛因斯坦來說 這種奇怪的 遠距離連接 不管是旋轉的 輪子還是粒子 都荒謬至極 他稱之為「幽靈般的遠距作用」 令人驚訝的是 當你對其中一個粒子進行測量時 你會影響另一個粒子的狀態 你改變了它的狀態 那裡沒有任何力量或滑輪 也沒有電話線 這些東西之間什麼都沒有連接 對吧 我在此處的選擇與那裡發生的事情能有什麼關係呢 所以他們無法互相溝通 這實在是太奇怪了 愛因斯坦就是無法接受這種糾纏現象是這樣運作的 他堅信只是數學看起來奇怪 而不是現實 他同意糾纏的粒子是可能存在的 但認為他們之間的連結有更簡單的解釋 這並不需要涉及神秘 的遠距離聯繫 相反地 他堅持 認為糾纏的粒子更像是一副手套 想像有人將這兩隻手套分開 分別放入每個盒中 那個人將其中一個案件交給 我 並把另一個案件寄往南極 在我打開我的箱子之前 我就知道裡面一定有隻左撇子或右撇子的手套 當我打開箱子 如果發現裡面有隻左撇子手套 然後在那一刻我明白南極洲的案件中一定 有一隻右手手套 即使沒有人曾經打開過 這一點都不神秘 明顯地 透過打開盒子 我並沒有影響到任何一隻手套 這個盒子一直都有左手的手套 而且南極洲的那隻始終有隻右手手套 這是從手套被分開並收起來的那一刻就決定的 現在 愛因斯坦認為這個相同的觀點同樣適用於糾纏的粒子 不論電子處於何種狀態 從它們分離的那一刻起就已經完全決定 那麼 誰是對的呢 波爾提倡的方程式認為粒子就像旋轉的輪子 能夠立即連結它們的 隨機結果 即使相隔遙遠 還是愛 因斯坦認為不存在這種神秘的連結 但相反地 所有事情在你查看之前早就已經決定好了 好吧 找出誰正確 波爾還是愛因斯坦 這是最大的挑戰 那就是愛因斯坦說的 一個粒子 比如 你在測量它之前就有明確的自旋 你會對愛因斯坦說 要怎麼驗證這一點呢 他說 嗯 測量它 你會發現明確的自旋 波耳會說 但正是測量的行為讓那自旋變成了明確的狀態 沒有人知道如何解決這個問題 因此 整個問題被視為哲學而非科學 1955年 愛因斯坦去世了 仍然相信量子力學至多只提供了現實的不完整圖像 1967年 在哥倫比亞大學 愛因斯坦挑 戰量子力學的使命由一位意想不到的人接續了 約翰·克勞瑟即將取得天體物理學博士學位 唯一阻礙他的 是他在量子力學課程中的成績 當我還是研究生的時候 不管我 怎麼努力 都無法理解量子力學 克勞瑟在思考愛因斯坦是否正確 當他做出改變一生的發現時 這是一篇由一位不為人知的愛爾蘭物理學家約翰·貝爾所撰寫的晦澀論文 令人驚訝的是 貝爾似乎找到了一種打破愛因斯坦與波 爾之間僵局的方法 並最終證明誰對宇宙的觀點是正確的 我確信量子力學的觀點可能是錯誤的 閱讀這篇論文時 克勞瑟發現貝爾發現了如何 判斷糾纏粒子是否真的透過詭異的行動進行溝通 就像匹配的捲線輪 或根本什麼 奇怪的事都沒有 而粒子們已經有 了自己的習慣 就像一雙手套 更重要的是 透過一些巧妙的數學 貝爾證明 如果不存在幽靈般的遠距作用 那麼量子力 學不僅僅是不完整的 如愛 因斯坦所認為的 而是錯誤的 我得出結論 天啊 這是我見過最深遠的結果之一 貝爾是一位理論學者 但他的論文顯示這個問題是可以被解決的 如果你能建造一台能夠產生並比較許多對量子糾纏粒子的機器 貝爾將這個問題轉變為一個實驗性問題 這不僅僅是關於哲學或交易紙幣的問題 而他所想像的實驗是可以進行的 你可以真正設置一個實際的實驗來迫使問題解決 克勞瑟開始建造一台最終能解決爭議的機器 當時我只是一個頑皮的研究生 這真的讓我驚嘆不已 總是有著極小的機會 你會找到一個會震撼世界的結果 克勞瑟的機器可以測量數千對糾纏粒 子並在許多不同方向上比較它們的自旋 隨著結果陸續出爐 克勞瑟感到驚訝且不開心 我不斷問自己 我哪裡做錯了 我在這件事上哪裡犯了錯誤 克勞瑟重複了他的實驗 而且不久之後 法國物理學家阿蘭·阿斯帕伊開發出更複雜的測試 由於結果更加明確 阿斯帕伊幾乎消除了所有疑慮 克勞澤與阿斯派的結果實在令人震驚 它們證明了量子力學的數學是正確的 量子糾纏確實存在 量子粒子可以在空間中相互關聯 測量一個事物實際上可以立即影響其遠距離的伴侶 就好像它 們之間的空間根本不存在一樣 愛因斯坦認為不可能的那種現象 遠距離的詭異作用 確實會發生 我再次感到非常傷心 因為我未能推翻量子力學 因為我至今仍然對它有著極大的理解困難 這就是量子力學中最詭異的地方 甚至無法理解 別問我為什麼 別問我要去哪兒 怎麼運作的 因為這是個非法的問題 我們只能說這似乎是世界運作的方式 因此 如果我們接受這個世界確實是以這種奇特的方式運轉 我們是否能利用量子糾纏的遠距離幽靈作用來做些有意義的事情呢 當然 有一個夢想是能夠以某種 方式將人或物從一個地方運送到 另一個地方 而無需穿越中間的空間 換句話說 就是遠距傳輸 《星際大爭霸》一直讓傳送或傳輸看起來非常方便 這看起來像是純粹的科幻小說 但量子糾纏真的能讓它成為可能嗎 這裏在非洲海岸的加那利群島 測試已經開始進行 我們在加那利群島這裡進行實驗 因為這裡 有兩座天文台 而且畢竟這裡的環境很不錯 安東·齊林格離把自己或任何其他人進行傳送還有很長的一段路要走 但他在嘗試利用量子糾纏來傳輸微小的單獨粒子 在這種情況下 是光子 也就是光的粒子 他首先在拉帕爾馬島的一間實驗室中產生一對糾纏光子 一顆糾纏光子留在拉帕爾馬島 另一顆 則由激光傳送至89英里外的特內里費島 現在齊林格引入第三個光子 也就是他想要傳送的光子 並讓它與拉帕爾馬島上的糾纏光子產生互動 該團隊研究這兩粒子的互動 比較它們的量子狀態 這就是驚人的部分 因為量子糾纏效應 該團隊能夠利用這種比較 將遠方島嶼上的糾纏光子轉換成與第三個光子完 全相同的複製品 就像第 三個光子穿越了海洋一樣 不穿越島嶼之間的空間 這種方法類似於提取原始資訊 並在那裡創造一個新的原創內容 利用這種技術 齊林格成功地進行了數十個粒子的量子傳輸 但是這是否能更進一步呢 既然我們是由粒子組成的 這項過程有一天是否能讓人類的瞬間移動成為可能呢 歡迎來到紐約市 假設我想去巴黎吃頓快速午餐 嗯 理論上 量子糾纏或許有一天能讓這成為可能 我需要的是 這裡 紐約有一個粒子腔室 與巴黎的另一個粒子腔室產生量子糾纏 請往這邊走 格林先生 我會走進一個有點像掃描器或傳真機的艙體裡 當裝置掃描我體內的大量粒子時 比可見宇宙中的恆星數量還要多的粒子 它同時也在掃描另一個房間中的粒子 並產生一個清單 比較這兩組粒子的量子狀態 這裡就是量子糾纏發揮作用之處 因為遠距的幽靈作用 這個清單也顯示了我的粒子原始狀態 與巴黎的粒子狀態之間的關係 接下來 操作員會將此清單傳送至巴黎 在那裡 他們利用這些資料重 構我每一粒子的精確量子狀態 一個新的我便隨之產生 粒子並不是從紐約移動到巴黎的 而是量子糾結讓我的量子狀態能在紐約被提取 並在巴黎重構 連最後一粒塵埃都不放過 您好 格林先生 你好 所以 我現在在巴黎 一個完全相同的我 我最好就是這樣 因為在紐約測量我所有粒子的量子狀 態已經摧毀了原本的我 量 子傳輸協議絕對要求這樣做 那被傳送的東西在過程中會被摧毀 而且 你知道 這確實會讓你有點不安 我想你最後會變成一堆中子、質子和電子 那樣看起來不會太好看 現在 我們距離今天的個人傳送還有很長的路要走 但這種可能性提出了一個問題 來到巴黎的布萊恩·格林真的是我嗎 老的我與在紐約的我應該沒有差異 而這裡的新的我也是同樣的 而且原因在於 根據量子力學 并不是物理粒子造就了我 是這些粒子所包含的資訊 而這些資訊已經被精確地傳送了 我身體中所有數以兆計的粒子 這是一個非常深奧的哲學問題 到達接收站的是否是原本的物體 我的觀點是 所謂原件是 指具有原件所有特性的東西 如果情況如此 那麼它就是原件 我不會走進那台機器裡 無論人類傳送技術是 否會成為現實 量子力 學的模糊不確定性都具有各種其他潛在應用 在麻省理工學院 賽斯·洛伊德 是許多試圖以強大新方法運用量 子力學的研究人員之一 量子力學很奇怪 這就是它的本來樣子 所以 你知道 生活給了我們一些奇怪的檸檬 我們能從中做出一些奇怪的檸檬水嗎 洛伊德的奇怪檸檬水則體現在一台量子電腦上 這些是量子電腦的核心 這台金屬與黃銅製造的裝置可 能看起來與你熟悉的筆電一點 都不像 但它的核心卻使用相同的語言 也就是二進位代碼 一種以零和一來表示的電腦語言 稱為位元 因此 資訊的最小單位就是一個位元 而電腦所做的就是將資訊拆解成這些單位 在極小的片段中 然後以非常快速的速度翻轉它們 這台量子電腦以位元來溝通 但與傳統位元不同 任何時候它只能是零或一 量子位要靈活得多 你知道 這裡的某樣東西可以是位元 這裡是零 那裡是壹 這就是一個位元的資訊 因此 如果你能擁有同時存在於此處與彼處的東西 那你就擁有了一個量子位元 或稱為量子位 就像電子可以是一種模糊的混合狀態一樣 旋轉方向為順時針和逆時針 量子位元可以是零和一的模糊混合 因此量子位元可以同時執行多項任務 那表示你能夠以我們經典大 腦無法想像的方式進行運算 理論上 量子位元可以由任何東西製成 以量子方式運作 如同電子或原子一樣 這台電腦的核心量子位元 是利用奈米科技製造的微小超導電路 可以同時向兩個方向運行 由於量子位元在處理多任務方面表現出色 如果我們能找出讓量子位元協同運作以解決問題的方法 我們的運算能力將可能呈指數級爆發 要理解量子電腦為何如此強大 可 以想像自己被困在灌木迷宮的中央 你最想要的是盡快找到出口 問題是選擇實在太多 我只能一個試過才知道 那表示我將會遇到許多死胡同 走過許多死胡同 並 做出許多錯誤的轉向 在我最終找到出口之前 這就是目前電腦解決問題的方式 雖然它們運作得非常快速 但一次只能執行一個任務 就像我只能一次探索迷宮中的一條路徑 但如果我能同時嘗試所有可能性 那情況就會不同了 這大概就是量子運算的方式 由於粒子在某種意義上可以 同時出現在許多地方 電腦可 以同時研究大量路徑或解決方案 並迅速找到正確的答案 現在 這種迷宮僅有有限的路徑可以探索 因此傳統電腦可以很快找到出口 但想像一個擁有數百萬或數十億個變數的問題 像提前很久預測天氣一樣 我們或許能夠預測自然災害 如地震或龍捲風 現在解決這類問題是不可能的 因為那需要一台荒謬的巨大電腦 但量子電腦只需幾百個原子就能完成這項工作 所以那台電腦的腦部 它會比一粒沙子還要小 毫無疑問 我們正越來越善於運用量子世界 的能量 而我們將來會 走到哪裡 誰也說不準 但我們不能忘記 在這個理論 的核心 儘管它給了我們這麼多 仍然存在一個巨大的漏洞 在量子層級的所有異常現象 在原子和粒子的尺度上 奇怪現 象去了哪裡 為何量子世界中的 事物可以處於不確定的狀態 似 乎一部分在這裡 一部分在那裡 在這麼多可能性中 儘管你我不 過是由原子和粒子組成的 卻似 乎總是被困在一個明確的狀態中 我們總是不是在這裡就是在那裡 尼爾斯·波耳並未真正 解釋為何量子世界中所 有奇怪的模糊現象在物體變大時似乎就會消失 儘管量子力學已被證明強大且精確 科學家們仍然在努力解決這個問題 有些人認為量子力學的方程式中有 些細節遺漏了 因此 即使在微小的 世界中存在多種可能性 這些遺漏的 細節仍會調整我們向上推導時的數值 從原子到大世界的物體 以便讓這變得清晰 除了其中一種可能性外 其他所有可能性都會消失 進而產生單一的確定結果 其他物理學家認為所有可能性 在量子世界中存在的事物 它們從來不會消失相反 每一種可能的結果實際上都會發生 只是其中大多數發生在其 他與我們宇宙平行的宇宙中 這是一個令人驚嘆的想法 但現實可能超越我們所見的這個宇宙 並持續分支出去 創造出新的、替代的世界 其中每種可能性都得以實現 這是最前沿的量子力學 沒有人知道它會引導我們到哪裡 我們的現實比我們想像的更加宏大 比我們想像的更加奇怪和神秘* 對我來說也是非常美麗且令人敬畏的 科學的美之處在於它讓你能夠 學習到超越你最瘋狂夢想的知識 量子力學就是這一點的極致 在你學習了量子力學之後 你永遠都不會再一樣了 儘管量子力學看起來可能很奇怪 但現在顯而易見的是 微小世 界與宏大世界之間並沒有界限相反 這些定律適用於所有地方 而且它們奇特的特性在事物微小 的時候最為明顯 因此 量子力 學的發現揭示了一種現實 我們 的現實 這既令 人震驚又令人興奮 讓我們更接近完 全理解宇宙的結構 NOVA的主要資 金來源由 和 提供 並透過 並感謝您對 PBS 電台的贊助 來自像您這樣的觀眾 謝謝 《宇宙的織物》的主 要資金由……提供…… 和 亞佛烈德·P·史隆 基金會 支持原創研究 並促進大眾對科學、技 術、工程與數學的了解 額外資金由亞瑟·維寧· 大衛斯基金會提供 致力 於強化美國的 未來透過教育 美國能源部科學辦公室 以及喬治·D·史密斯基金