简单讲,物理学大佬也不知道量子纠缠的底层逻辑,更不要说我们这些普通吃瓜群众了。这也是为什么物理学大佬会表示:如果你觉得自己理解了量子力学,恰恰说明你对量子力学一点也不了解!
回答到这里就结束了?
当然不是,这不是我科普的风格。虽然物理学界大佬不知道量子纠缠的本质到底是什么,但他们知道的比我们要多得多,同时他们还可以去猜测,在现有理论和发现的基础上,推测量子纠缠的底层逻辑。
首先,什么是量子纠缠?
物理学上的定义是这样的,当两个或多个粒子发生相互作用后,原来各自的特性就会消失,综合成整体性质,无法单独描述某个粒子的性质,只能够描述整体系统的性质。
量子纠缠很诡异,不管相距多远的纠缠粒子,都能瞬间感应到彼此,速度远超光速。而对于量子纠缠这种诡异现象,物理学界曾出现过激烈的辩论,可以分为两大派。
一派是以爱因斯坦为首的经典物理学派,认为量子力学中的诡异现象,比如说量子纠缠表现出的“鬼魅般的超距作用”,就是因为量子力学本身还不够完备,肯定还存在某些隐变量没有被发现,只要找到隐变量,就可以解释那些诡异现象了。爱因斯坦的支持者还有大名鼎鼎的薛定谔等人。
另一派是哥本哈根学派,代表人物有玻尔,玻恩,海森堡等人,他们提出的理论也被称为“哥本哈根诠释”,该诠释的核心思想是不确定性原理,叠加态,波函数坍缩等。而量子纠缠只是不确定性和叠加态的一种表现,是量子世界的固有属性。
两大学派争论了很长一段时间,直到玻尔和爱因斯坦等大佬去世,也没有最终的结果。
上世纪60年代,物理学家约翰贝尔提出了一个逻辑上相当严密的数学不等式,也就是贝尔不等式,这里就详述不等式的具体内容了。总之就是,只要这个不等式成立,爱因斯坦就是对的,各奔哈哥学派就错了。
但结果表明,不等式并不成立。科学家们通过实验反复验证了贝尔不等式,结果都是不成立。因此,贝尔不等式也下了最终的裁决:爱因斯坦错了,他提出的隐变量并不存在,哥本哈根学派笑到了最后。
如今,物理学家们早就论证了量子世界里的诡异现象,比如说量子纠缠,量子隧穿效应,波函数坍缩等确实存在,但并不知道为什么会存在。不过这并不妨碍科学家利用量子力学的这些诡异现象为人类服务。
下面具体分享一下物理学家们对量子纠缠本质的一些猜测。
刚才讲了,纠缠中的粒子不管相距多远,都能瞬间感应到彼此。举个例子,如果人们测量之后发现某个粒子的自旋方向朝上,那么在测量的一瞬间,另一个粒子的自旋方向马上会坍缩为朝下,这个过程是瞬间完成的,甚至不需要任何时间。
科学家们也通过实验证明了这点,早在2016年我国的墨子号量子卫星,把纠缠中的两个光子分开1200公里,发现光子仍旧能保持纠缠状态。当然我们无法在无限远的地方验证纠缠粒子的特性,只能理论上分析。
那么,该如何理解量子纠缠的这种特性呢?
意识感应的解释首先可以排除掉,虽然很多人对意识感应很感兴趣,但超出了科学认识的范畴,而主流科学界一直认为量子纠缠就是微观世界的固有属性。
可以这样通俗理解。纠缠中的粒子就像一副手套,不管这副手套相距多远,只要我们确定了其中一只手套的状态,比如说是左手套,那么瞬间就可以确定另外一只手套是右手套,这个过程并未传递任何信息,没有任何人告诉我们另外一只是右手套。
这里只是类比,其实上面的例子并不严谨,其实方便我们通俗理解。因为手套本身的状态其实早就确定了,只是我们不知道而已。而纠缠中的粒子状态其实是不确定的,如果手套就是微观粒子,相当于两只手套中的任何一只,都处于“既是左手套又是右手套”的叠加状态!
而我们的观测行为会让手套从叠加态坍缩为唯一的确定状态,如果坍缩为左手套,那么另外一只手套就会立刻坍缩为右手套。
同时,物理学家们还提出了“全同粒子”的概念来解释量子纠缠现象。
何为“全同粒子”?
全同粒子是指具有完全相同内禀属性的粒子,如电子、 质子 、中子、光子等,它们可以是基本粒子,也可以是由基本粒子构成的复合粒子,比如阿尔法粒子。
而纠缠中的粒子就相当于“全同粒子”,说白了仍旧是一个粒子,而不是两个粒子,起码不是两个独立的粒子。也正因为如此,纠缠中的两个粒子无法单独描述单个粒子的特性,只能描述整体的属性。
用量子场论的概念来理解,粒子的本质其实就是波,通俗来讲就是“能量包”。纠缠中的两个或多个粒子只是波的某种表现形式。在理论上波可以延伸到无穷远的地方,而任何形式的观测都会导致波发生坍缩,成为确定状态,也就是我们眼里确定到的粒子!
当然,以上解释也只是在现有理论基础上的猜测,并没有切实的实验证据来支撑。还有更大胆的猜想,认为量子纠缠现象只是高维度在低维度的投影导致的,这种想法就更大胆了,更难通过实验去验证,大家知道就可以了,有助于拓宽我们的思维。
最后说一点,很多人会对量子通讯有误解,认为量子通信就是利用量子纠缠现象来超光速传递信息,其实并不是这样的。
任何信息的传递都不可能超过光速,这一点是毫无疑问的。所谓的量子通讯,主要目的并不是传递信息,而是利用量子纠缠现象进行量子密钥分发,说白了就是给信息加密,保证信息的安全性。
传统的文件加密方式,不管密码有多复杂,理论上都可以进行破解。但利用量子纠缠现象给信息加密,就不存在破解的可能性。因为量子的状态本来就是不确定的,是完全随机的,而我们现实生活中所有的随机行为其实都是伪随机,都有一定的规律可循。但在量子世界,一切都是真正的随机,毫无规律可循。
同时,如果任何人一旦想窃取信息,必须进行某种形式的观测,而任何观测行为都会导致量子发生坍缩,量子状态的改变一定会引起信息传播者和接收者的注意,让窃取行为无法得逞。
完!
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