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量子纠缠与超光速

(2016-12-20 23:38:05)
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分类: 光子•量子

量子纠缠与超光速

存在之轻 2016-11-04 13:51

量子纠缠是指由一个粒子裂变而成的一对粒子,不管相距多远,对其中一个粒子状态的观测会“瞬间”影响到另一个粒子。也就是说,两个粒子之间似乎存在着某种神秘的超越光速的感应现象。

这里要注意两个关键词,一个是“一个粒子”,第二个是“观测”。

有时候想想似乎真的挺“神秘”的,如果你将一个东西劈为两半,那么这时候是一个东西呢?还是两个东西呢?量子纠缠最早是爱因斯坦用来驳斥波尔的思想实验之一。一般设想由一个自旋为0的粒子衰变为两个粒子,当两个粒子分离得足够远,如果观测到其中一个粒子的自旋向左的话,那么在另一端“瞬间”可以观测到自旋向右,反之亦然。由于当时相对论已经站稳脚跟,光速作为自然界的速度上限已经成为基本定律。既然这个实验会导致超光速,那么波尔对实验中波函数“坍缩”的解释可能是有问题的。

这个实验让波尔很费了一番脑筋,其要害在于,单纯构造超光速并不是什么困难的事,比如天球上光斑的移动。但是,这样的超光速并不能传递质量、能量和信息,因此与相对论并不矛盾。但在爱因斯坦构造的实验中,这种感应是可以传递信息的。

波尔左思右想,终于在某次沉睡后获得了灵感。他仔细检查了整个过程,终于发现其中一个重要破绽,即当我们提到其中一个粒子自旋对另一个粒子自旋的影响时,我们已经有了两个假定,一个是存在“两个”粒子,另一个是两个粒子都“存在自旋”。谁告诉你有这两样东西,此时,人的意识已经参与了实验,而这与波尔量子力学解释的假设相矛盾。

那么波尔是如何解释这个实验的呢?波尔认为,人的意识是不应该参与实验的,抛开两个假定的话,个数和自旋状态是毫无意义的,也就是说,此时根本没有“两个”粒子,有的只是原来的“一个粒子”,即母粒子,那么对其中一部分的观测自然会瞬间影响到另一部分,这并不违反相对论。举个简单的例子,有一副手套,分得再远,也是一副手套,当你看到左手时,你“瞬间”知道另外一只是右手,这里并不存在实际的超距信息传递。那么,如果要完成爱因斯坦所谓有实际意义的信息传递,应该是怎样的呢?应该是你可以随意改变左手套的状态,并影响另一端。比如一会左,一会右,那么你可以通过不同的编码完成信息传输。但是,遗憾得很,手套不会随意改变,反映在量子力学里就是波函数“坍缩”了。

这里需要解释一下,每一种粒子(包括宏观物体)都有波动的特性,都具有一定的测不准性,所以在你观测它以前,它的状态是模糊的,只能用表示概率的函数来表达,也就是波函数。在你“观测”到它状态的“瞬间”,它的状态才100%确定了,不再需要波函数描述,波尔称此时波函数“坍缩”了。回到上面的例子,在你观测左手套之前,它是处于50%为左50%为的右叠加状态的,当你观测时,各50%的波函数瞬间“坍缩”为100%为左的状态,而且,左手套的状态再也不会变。反映在量子中,就是观测到一个粒子自旋后,它的状态就确定了,也不会再感应另一端。那么,爱因斯坦所提的信息传递就无法实现了。

爱因斯坦和波尔最大的争论就在波函数的“坍缩”上面。对于波函数为什么及如何“坍缩”的,波尔无法作出解释(至今也没人能作出信服的解释),但他认为这就是自然的法则之一。但爱因斯坦坚持追究背后的原因,这也是“骰子”说的来源,他构造了隐变量等假设来进行说明,但都不尽如人意。目前,对于量子力学的解释,以波尔为代表的哥本哈根学派处于主流地位。

注意,前面讲的都是爱因斯坦的思想实验。了不起的是,后人真的在实验中观测到了量子纠缠。粒子距离从几米、十几米,甚至到了几十公里,而所谓“瞬间”感应的速度经测算,有的称是4倍光速,有的称是1.9被光速。但通过前面的分析可知,这并不是相对论意义上的超光速。

尽管与已有理论并不矛盾,但量子纠缠还是引出了人们对宇宙、自然和人的认识上的深刻变化,在哲学意义上也引起了巨大震动。至少,在人们认识世界的途径上,又多了一种合理的尝试。如果人是纠缠于外物的,那么通过体验人自身与自然的纠缠是否就可以获得自然的知识了呢。因此,量子纠缠为“内求法”提供了天然地合理性。事实上,似乎宗教就是通过这种方法认识世界的。

更可怕的还在后头,前面说过,量子纠缠只存在于“一个粒子”裂变出来的粒子中。那么,按照宇宙大爆炸理论。我们的宇宙是由一个集中全部物质和能量的高温致密的极小的点,也就是奇点爆炸而来,换句话说,我们的宇宙就是由一个母粒子爆炸或者说裂变而来,那么,宇宙万物天生就是纠缠在一起的。想想还真是挺吓人的。

多年前曾和一位美女吃饭,我对她说,其实咱俩是纠缠在一起的,美女满脸通红,怒目而视。然后我耐心诚恳地和她讲了上面的道理,她沉思片刻,说到,好像真的是纠缠在一起。有时候好好学习还真的挺重要的。


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