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波尔对量子纠缠的解释已经被实验证明几十年了,而且还不只一次实验,每次实验都是大新闻。
这玩意也早就写在量子力学教科书里了,没想到现在居然还能成新闻。
我在欧洲读硕士期间,物理系的惠更斯楼就在我们系隔壁。
然而,以我的资质愚钝,再大的教授也没能把我讲明白,反而是越讲越迷糊。
不过也并非全无用处,至少他们勾起了我更浓厚的兴趣,于是我申请去听了一学期的量子力学课。
关于量子纠缠这件事,我还专门请教过任课教授。
所谓量子纠缠,大体意思是说,假设一个零自旋中性π介子衰变成一个电子与一个正电子。
电子和正电子的运动速度大小相等,方向相反。
当它们远离后,我们观测电子的自旋方向,此时电子的叠加态随之坍塌,随机得到一个自旋方向,假如是上旋。
那么与此“同时”,正电子也会出现坍塌,我们将观测到其自旋方向为下旋。
不管电子与正电子相距多远,当一个出现坍塌时,另一个总是“同时”出现坍塌,并且总是符合总自旋为0,也就是总自旋跟衰变前保持一致。
但是,通过将两个粒子拉得足够远,并且让观测时间差异足够小,我们可以计算出两个粒子间“信息传递速度下限”,这个下限至少是光速的10000倍。
因为这个看似超光速的信息传递速度,爱因斯坦死活不承认这玩意,并提出了EPR佯谬,说这量子纠缠是“幽灵般的超距作用”。
他举例说,两个粒子就像一双鞋,装进不同的盒子,送给不同地点的两个人。
当其中一个打开盒子发现是左脚的同时,那么另一个人就知道自己盒子里装着右脚。
波尔同样用鞋子举例,只不过他说放在盒子里的鞋在打开盒子之前始终是在变化的,有可能变成左脚,也有可能变成右脚,这叫叠加态。
只有当你打开盒子的同时,叠加态坍塌,才会最终定格到一只脚。
这种说法爱因斯坦死活不能接受,即便量子力学方程预示着同样的结论,爱因斯坦也认为那时量子力学有问题,应该是有某种未知因素还未被发现,因此理论看起来如此荒谬。
至于未知因素是什么,他也不知道,于是就叫它“隐变量”。
可惜,薛定谔一辈子跟量子力学作斗争,一再被打脸,从薛定谔的猫,到量子纠缠,以至于最后被誉为“最不懂薛定谔方程的人”
不过被打脸的还不止薛定谔,贝尔被打得更严重。
为了支持爱因斯坦,他构造了“贝尔不等式”用以证明爱因斯坦对量子纠缠的理解。
后来的事大家也知道了,实验做出来,恰恰证明了波尔的解释——并不存在什么隐变量,鞋子在盒子里就是“变化”的。
不过这么重要的实验已经做出来几十年了,没想到现在才获奖。
而且这个实验不止做过一次,而是做过好多次,最近一次为了全民科普,还发动网民参与贡献随机数,结论早就是共识了。
另外,只要不确定原理成立,那么量子纠缠就必须是波尔的解释,否则对于纠缠的粒子对,观测其中一个的位置,观测另一个的动量,不就可以同时知道二者的位置和动量了嘛。
很多人的纠结其实跟爱因斯坦一样,就是那个“幽灵般的超距作用”为啥可以超光速?
其实对“超光速”这件事爱因斯坦自己也有疏漏,就像薛定谔不懂薛定谔方程,洛伦兹不懂洛伦兹变换一样,爱因斯坦也不能说自己完全“懂”狭义相对论。
如果谁写出方程谁就“懂”了,那狭义相对论应该属于给出洛伦兹变换的洛伦兹。
爱因斯坦当然比洛伦兹更懂洛伦兹变换,他给出了“局域物体速度不超过真空中的光速”这个假设。
可这个“物体”就很模糊,究竟什么是物体?
后来人们逐渐又把物体的定义进一步细化为“传递有效信息”,于是违背狭义相对论的“超光速”现象就迎刃而解了。
例如纠缠量子对因为处于叠加态,在观测前谁都不知道自旋状态,因此观测后它们之间传递的也只是“随机乱码”。
那么能不能通过“是否坍塌”传递有效信息呢?
恐怕也不行,因为在你观测前并不知道是否坍塌,而在观测后又无法知道是否是因为自己的观测引起的坍塌,所以仍然无法传递有效信息。
那么量子纠缠的超距作用就没有违反狭义相对论。
我在上量子力学课的时候,贝尔不等式实验已经做完很多年了,因此大家对量子纠现象已经没有什么疑问。
我的疑问是,既然纠缠的粒子始终处于叠加态,你是怎么知道人家“分离”了呢?
如果π介子本身就是电子与正电子两个概率波的叠加,而衰变只是把那两个波“拉长”了呢?
当然这种拉长并不是在三维空间的拉长,可能是在更高维空间的“拉长”,映射在三维空间表现为了距离。
既然只是拉长,那么坍塌当然还是同时坍塌呗,因为其实就是一个波嘛。
至于“高维空间”,既然广义相对论的引力场方程左边本身就是“时空曲率”,既然时空可以弯曲,难不不正说明存在更高维度吗?
况且波函数里引入了虚数i,为什么不能给他一个高维空间的物理解释呢?
教授的回答是,你的思考值得鼓励,有兴趣可以去研究下超弦理论……但目前超弦理论没有实验支持,你也就只能想一想,研究下去就不是物理范畴,而是数学了。
反正收藏你也不看,点个赞意思下得了……
世界的本质,居然真是量子化的。
而上帝,真的是在掷骰子......
「量子纠缠」这个名词可以说是近年来,在量子物理领域里,除了量子计算机以外,被普通大众媒体提及最多的网红破圈词汇了。
这些名词经常被提及,其中一个重要的原因就是:这是在各种玄妙的量子技术领域中,最前沿最接近实用化的技术之一。
同时,我们国家在这项技术上,又还处于非常领先的地位。
所以媒体们,也很爱提到我们在这方面取得的科技成就和荣誉,顺便也给大家普及了这些高冷无比的科学名词。
那么所谓量子纠缠究竟是什么呢?
是不是像某些媒体描述的那样,可以帮助人们实现绝对安全的远程通讯,构筑无法干扰、无法窃听的保密通信网,或者是实现无视距离的超光速信息传递呢?
此外,这个现象是不是也可以和之前的量子现象一样,我们也同样可以用虚拟世界的视角来帮助认识和理解呢?
大家不要着急,我们还是先了解一些基础知识。
我们先看看量子纠缠到底是什么意思。
所谓量子纠缠,其实就是指微观世界里面,发生的一种特殊的多粒子的耦合现象。
通俗来说,就是几个粒子联成了一个整体系统了。
不过它们联成的不是一个整体,而是一个整体系统,也就是说每个粒子还是单独存在的,而且可以分开。
但是从关系上呢,它们之间又存在某种不可分割的整体关联。
一旦粒子之间有了这种纠缠关系之后,这些彼此纠缠的粒子不管身在何方,它们之间都能瞬间互相影响。
而且这种影响,不随距离的改变而消失。
彼此之间的影响,似乎也没有任何速度上的限制。
比如说,一对相互形成纠缠的粒子。(我们把它们比作一对兄弟吧)
我们把这对兄弟粒子彼此分开,然后让它们向相反方向飞去,并让它们尽可能地飞得相距更远一些,比如让它们相距百万甚至千万公里以上。
于是,它马上也就显示出一个跟它「哥哥」完全相反的自旋方向来,以保持他们彼此绝对互补。
你瞅瞅这个过程,是不是会感觉,其实并没有那么复杂难懂。
所以不管跑多远,你看了其中一只,自然就知道另一只的方向了。
就像两只鞋子,本来就是一对。
不管你把它们分开多远,你只要看到一只是左脚的,自然马上知道另一只就是右脚的嘛。
这难道有什么奇怪的地方吗?
问题自然没有那么简单,科学家们自然也不会连这种基本关系也会好奇。
科学家们深入研究了这个问题后发现,纠缠粒子之间的关系,并没有角动量守恒这么单纯。
它们之间,具有着更深入的互补特性。
这就值得好奇一下了。
其实最先发现这个问题的,正是大名鼎鼎的爱因斯坦。
提到爱因斯坦和玻尔的世纪大论战,话又要说回我们之前提到的物理史上那个最激动人心的年代:新量子力学诞生的年代。
爱因斯坦,曾经尝试用一个「光箱思想实验」挑战玻尔的量子理论。
可惜并未成功。
反而,还被玻尔利用爱因斯坦自己的相对论,进行了成功的反驳,击退了爱因斯坦的第一次挑战。
但是,爱因斯坦肯定不是会轻易认输的角色。
几年后,爱因斯坦卷土重来,再次向哥本哈根发起了新的挑战。
什么是 EPR 佯谬问题呢?
在当时,量子的「不确定性」和观测导致「坍缩」的特性已经都被大家所认识了。
两个粒子发生纠缠的时候,也会有这样的现象存在。
只不过呢,两个纠缠的粒子被观测的时候,会同时坍缩。
坍缩后两个粒子,就会保持完全相反的互补状态。
这个现象其实是已经都被大家所了解的。
但爱因斯坦提出:
那么这种关系的确定过程,如果是瞬时的,岂不是就超越了光速吗?
那么要解释这种现象,只有两种可能:
第一种可能,是有某种机制,让信息超越光速,进行了传播,瞬间协调了它们之间的属性;
第二种可能,则是这两个粒子,事先约定好了某种互补状态,然后一直保持着状态互补关系。
这两种可能解释,其实就意味着对整个世界的两种解释方式:
而如果是后者,那么就只是一个简单问题了,只是我们的认识不足,还有一些物理学的隐藏参数没有发现而已。
粒子之间的瞬间协同性,其实只是一种「假象」,是我们现阶段知识不足造成的而已。
伟大如爱因斯坦,怎么可能认同前面那种,如同神棍的逻辑呢?
他当然认为应该是后者,两个粒子之间一定存在某种「隐变量」在制约它们的行为而已,哪里有什么神秘机制。
更何况,当年也没有电子游戏,这样的虚拟体验可以启发思想,不是吗?
于是,爱因斯坦就拿出了这个 EPR 佯谬问题,很严肃地告诉玻尔。
你们除非证明两个纠缠粒子之间的关系是前者,而不是后者。
世界不是你们想象出来的,它还是经典的、定域的、实在的!
好,现在球踢给哥本哈根学派了,玻尔他们现在要怎样应对爱因斯坦的挑战呢?
玻尔面对挑战自然不会轻易认输。
他作为新时代量子理论的奠基者之一,怎么可能向爱因斯坦的旧理论屈服呢?
就算是他还没玩到电子游戏,玻尔也能感觉出,这个世界背后,一定有某种深层机制突破了定域和实在性。
他果断应战,准备设计实验来证明爱因斯坦错了。
玻尔要如何证明爱因斯坦是错的呢?
玻尔首先要证明,两个粒子之间的协调性速度是远比光速快的。
这比较好办。
我们设计实验,可以把两个粒子分别引到足够远的距离。
(比如现实中可以用长光纤,把纠缠的光子对,分别分离、引导开来实现)。
其次,玻尔还要证明,两个粒子之间的协调性是瞬时同步产生的,而不是它们事先约定好的。
我们要证明两个粒子之间,没有任何事先的神秘约定,那这要如何证明呢?
俗话说,瞌睡碰到枕头,真是巧了。
他就是北爱尔兰的物理学家,约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell)。
贝尔了解了双方争论之后,当然认为爱因斯坦是对的。
这个世界,怎么可能会出现违反直觉和常识的事情呢?
于是为了帮助爱因斯坦,贝尔反复琢磨了双方的观点。
在 1964 年的时候,他突然想到了一个数学方法,可以把两者的观点,给明确地表述出来。
贝尔用了一个不等式,来表示出了两者,在协调性上的数学区别。
贝尔认为,只要这个不等式成立,那么爱因斯坦就是对的。
两个粒子之间,就一定有事先约定好的方案。
如果不成立,那么玻尔就是对的。
两个粒子之间,没有什么事先约定的方案。
当然,他认为很显然这个不等式应该成立嘛。
不然他为什么不把符号倒过来,用成立来对应玻尔的理论呢?
不过,不管怎样,科学家一致认为这个不等式是对爱因斯坦和玻尔两人争论,或者说是对世界到底是经典的,还是量子的,最为明确的一个数学总结。
而且,这个不等式还比较好验证。
不过我们作为普通读者,怎么才能理解这个公式到底说的是什么呢?
我们也能用虚拟游戏的视角,来理解贝尔不等式的含义吗?
当然可以。
我们现在就尝试用游戏视角,来解释一下这个物理学上最重要的公式之一。
话说在虚拟世界的量子游戏里,我们用系统生成了一对宝箱,系统生成的每对宝箱里面都有一只漂亮的蝴蝶精灵。
我们已知,宝箱里面的蝴蝶精灵的颜色只有白色和黑色。
而每对宝箱里的蝴蝶颜色,则一定是相反的,它们是一对「双子」精灵。
那么毫无疑问,如果有一对宝箱,那么无论什么时候,我们打开其中一只宝箱,看到了里面的蝴蝶的颜色的话,就能马上知道另一只宝箱的蝴蝶颜色。
但是这个游戏的设计师告诉我们,这种成对宝箱的程序实现方式,其实有些区别的。
具体说就是成对宝箱其实有两种实现方式:
一种是,事先就生成好一对双子蝴蝶,然后再分别装在不同宝箱里。
这种,先有蝴蝶,再装进宝箱的方式,我们命名为「传统宝箱」;
而另一种呢,则是在你打开成对宝箱中的任意一只的一瞬间,才马上执行生成蝴蝶的代码。
在两只箱子里,立刻生成一对颜色相反的双子蝴蝶。
我们将这种宝箱命名为「量子宝箱」。
于是游戏的设计师想挑战我们,想让我们试试看,能不能通过观察分辨出哪一对宝箱是传统宝箱,哪一对是量子宝箱。
这个挑战看起来似乎不可能完成。
因为简单从开箱后的观察结果来看,似乎两种形式的宝箱都是完全一样的。
两种都是装着颜色相反的双子蝴蝶而已,我们似乎无法分辨两者有什么不同。
但是,我们玩家都是很有耐心的,经过认真的反复摆弄两种不同的宝箱,重复开箱过无数次以后,我们还是发现了一些差别。
我们发现,每个宝箱里面的蝴蝶颜色其实是由三个部分构成的。
分别是「触角」、「翅膀」和「身体」。
每个部位都有可能是「黑色」和「白色」两种颜色中的一种。
不过每次开箱的时候,蝴蝶身上的颜色都是随机产生的。
当我们打开 A 宝箱的时候,我们如果看到蝴蝶精灵是「黑触角」+「白翅膀」+「黑身体」。
那么我们打开另外一个 B 宝箱,看到的蝴蝶精灵就必然是「白触角」+「黑翅膀」+「白身体」。
完全相反。
如果 A 宝箱看到的是「白触角」+「黑翅膀」+「黑身体」。
那么 B 宝箱里的蝴蝶就一定是「黑触角」+「白翅膀」+「白身体」。
一点都不会错。
那么,两只宝箱里蝴蝶的各部位颜色对应得很好,我们怎么才能分辨出差别呢?
我们仔细思考了一下,传统宝箱和量子宝箱之间的逻辑。
突然我们意识到,它们之间的差别就在于,是否提前约定好了。
传统宝箱里面的蝴蝶精灵,是事先生成好的。
那么两个蝴蝶之间,肯定已经约定好了一套对应的方案,它们才可能做到完全互补。
那么蝴蝶们需要约定好几套方案呢?
因为蝴蝶身上有三个部位可以变化颜色,那么我们排列组合一下就知道,总共需要八套方案。
也就是说,如果是传统宝箱的生成方式的话,那么两只蝴蝶精灵,必须先定好用这八套方案中的某一套,来生成各部位的颜色。
一旦定好就不能更改了。
而量子宝箱不同。
量子宝箱里面的蝴蝶,是先不定好颜色方案的,等着开箱的时候,再随机同步生成。
换句话说就是,量子宝箱里面的蝴蝶,处于一种什么情况都可能存在的叠加态中。
在打开宝箱之前,它是没有具体颜色的。
必须等到观测的时候,才会给出它的具体颜色。
那么就算这样,两者有什么区别呢?
我们来另辟蹊径一下。
在我们的三维空间里,两个微小粒子无论科学怎么验证都是两个物体,所以哪怕距离一光年依然可以实时同步这件事就觉得匪夷所思。但如果升高一个维度其实就可以豁然开朗,在高维度下这两个粒子其实就是一个物体,那当然一个变化另一个也立刻跟着变化了。
一对纠缠着的粒子就好比是同一个硬币的正反两面,你知道一面是正面,那另一面当然就是反面了。哪怕这个硬币有一光年那么厚,当你知道这面是正面以后,你也不用等一光年以后才知道另一面是反面而是立刻瞬间就知道吧。这是同一个硬币内部的问题,而不是两个硬币之间的问题。比如一个生活在硬币正面的细菌,它可能这辈子都永远到达不了反面,在它的认知里,硬币的正面和反面其实是两个世界。所以在它的认知里,自己这个世界一旦是正面,另一个世界立刻就变成反面它就会觉得很神奇:怎么做到的?两个世界竟然可以一瞬间就同步?可细菌不知道硬币再厚那也是不可分割的一个整体啊。别说是光速翻动它了,哪怕是乌龟翻它那也是瞬间就同步啊。
另外,我其实还是更愿意相信上帝是不掷骰子的,我猜测目前的三维空间中,微观粒子所展现出的随机性,其实应该是确定性或者规律性的高维运动规律的冰山一角倒影在了三维空间,而三维空间中的我们由于空间的局限性而产生了意识层面的妄想,是一种错觉。目前描述微观粒子不确定性的那个薛定谔方程里面的那个虚数i如今已被我们国家的科研人员证实在量子领域里,它是无法被等价替换为实数的,那这个虚数i是什么呢?我猜测其实就是高维空间中和实数一样平常的数学。高维空间中的小朋友在上幼儿园时就知道用i做加减法了。就和我们三维空间中的小朋友做实数加减法一样平常。但虚数投影到三维空间中时就立即无法解释了。
1,原文里有很多语言错误,比如把光年就直接错说成时间单位了等等,本来想改过来,但是既然已经有人质疑了,我再去改就显得我有点鸡贼 ,所以就不改了,能明白意思就行了。
2,这篇回答肯定是写于今年诺奖颁给量子力学以后,这就已经充分证明现在的科学对于随机性的充分肯定,对于所谓隐变量的不认同,我却依然认为上帝不掷骰子,这不明显就是所谓民科才能干出来的事吗。。 所以科学家不用和民科较劲的。我其实连民科的水平都不够的,只是个业余爱好者。但我并不觉得我的回答会误人子弟。。。都是茶余饭后的闲聊而已。看完以后能对量子力学产生更大的兴趣也是好的,何况量子力学真正懂的人本就不多。
260 人赞同了该回答
人类存在于现实宇宙,仅能用肉眼观测世界,即使借助显微镜,天文望远镜,科学仪器的加持,也仅能观测整个宇宙中极少部分结构。
人类现有的观测角度,就像游戏中的旅行者在游戏场景里探索世界,
在游戏场景里,千里之外的蒙德人与须弥人完全不一样,没有任何血缘和现实联系,
但在游戏的底层世界,在底层代码里,蒙德和须弥的角色共用着一样的人物模型,调用着相同的功能代码。
千里之外的蒙德人,璃月人,稻妻人,须弥人,
因为调用了相同的人物模型和数据,在代码上处于量子纠缠状态。
看似完全不同,相隔万里的角色,一旦在程序代码,在游戏底层数据上进行改动,
在模型,功能和行为上表现出高度一致的规律性,就像是同一个人。
在现实里,人类肉眼无法观测,科学仪器也无法验证的后台数据,后台程序,影响着量子纠缠,支配着暗物质,联系和构建着复杂的宇宙。
在最根本上,量子纠缠,以及暗物质,这些难以理解和验证的现象,更大的问题是揭示了人类当前观察方法的局限性。
人类的实验,科学,证实的是可见,可观测的现象和物质。
当面临肉眼,乃至仪器都无法观测的暗物质和量子纠缠现象时。
如果不能从观测方法上取得根本上的突破,人类就像游戏中的NPC和游戏角色一样。
不管怎么研究游戏里的数据,打造游戏里的装备,都无法从根本上去理解游戏程序背后的代码。