如果要用一个词来描绘量子力学的特质,“诡异”二字似乎最为贴切。连物理界的泰斗们都不敢妄言理解量子力学的全貌,可见其内在之复杂深邃弘利配资,简直令人称奇。
量子力学之所以令人感到扑朔迷离,也使得某些人借机兴风作浪,以这个尖端的科学概念为噱头进行不实的宣传,比如宣扬所谓“量子速读”,宣称通过利用“量子纠缠”现象与人脑互动,实现瞬间读取书本内容的奇迹。
的确,社会上不乏轻信者。这并不奇怪,普通人士往往难以深入了解量子纠缠的内在机理,容易被某些别有用心者误导,信以为真,他们甚至散播量子纠缠与大脑的感应能力,乃至与灵魂之间的联系。
然而,量子纠缠确实是量子力学中的奇特现象,并且在现实中确实存在。现代科学中,物理学家们已经能够将量子纠缠现象应用于人类的现实生活。
那么,量子纠缠到底指的是什么?为何量子纠缠的速度能远超光速?我们是否可以通过量子纠缠实现瞬间移动?
先来谈谈量子力学的核心观点——“不确定性原则”,也称“测不准原理”。量子纠缠现象恰恰基于这一原则而提出。
简而言之,不确定性原则意味着,我们无法同时获取一个微观粒子的准确位置与速度。这种不确定性与我们日常生活中的认知完全相悖。
想象一下,一辆车在你旁边飞驰而过,我们能轻易地推算出汽车在某个时刻的位置与速度。但在量子领域,这种做法就不奏效了。
要测量一个微观粒子,我们需要利用光线反射至我们的眼睛,无论是直接观察还是通过高科技设备,总之必须依赖光线反射。然而,微观粒子如电子的质量微乎其微,容易受到光线的干扰。理论上,为了准确测量电子的位置,我们需要使用波长较短的光波,但这类光波携带的能量大,对电子的干扰也大,这便使得我们难以测量电子的速度。
同样,如果我们想准确测量电子的速度,需要使用波长较长的光波弘利配资,但这样一来,电子的位置就难以精确测量了。
这种困境就如同“鱼与熊掌不可兼得”,为了获取微观粒子的精确位置(或速度),我们必须牺牲速度(或位置)的精确性。
但在宏观世界里,这种问题并不存在。以汽车为例,由于汽车与光子的质量悬殊,光波对汽车的影响几乎可以忽略不计,我们能够轻易地测量其位置与速度。
这就是所谓的不确定性,微观世界的粒子只能用概率来描述,描述这一概率的数学概念被称为“波函数”。当我们观测一个微粒时,波函数会塌缩,成为确定的粒子状态。
换句话说,在我们没有进行观测时,微观粒子的状态是模糊不清的,而一旦我们开始观测,粒子的状态就变得确定无疑。这表明,我们的观测行为直接决定了粒子的状态。
这种情形在宏观世界中显得难以置信。而爱因斯坦也以“月亮在我没有看它时,它是否存在?”的疑问质疑以玻尔为首的“哥本哈根学派”的不确定性原理。爱因斯坦和薛定谔等科学家认为,量子力学背后肯定还有更多我们尚未揭示的秘密,不能简单以“不确定性”来解释量子世界的奇异现象。
其中一项著名的思想实验——薛定谔的猫,就是薛定谔讽刺玻尔不确定性理论的实验设想。实验中,一只猫处于“生死之间”的叠加态,以此嘲讽。
而基于不确定性原理,哥本哈根学派还提出了“量子纠缠”,被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”。量子纠缠的速度远超光速,甚至可超过光速万倍,这显然与爱因斯坦相对论中的光速不变原理相抵触。
举个例子来类比:将一副手套分别放入两个袋子,无论两袋相隔多远,哪怕是宇宙的两端,当我们打开一个袋子发现是左手套,那么另一只手套一定是右手套,我们瞬间就知晓了“右手套”的信息。
这两只手套好比是纠缠在一起的微观粒子,能瞬间感应彼此,并“约定”好:“你是左,我就是右”。
根据量子力学的不确定性诠释,在未打开袋子之前,两手套处于模糊的叠加状态,换句话说,一个袋子里可能既有左手套又有右手套。显然,这是不可能的,手套在装入袋子的那一刻,即使我们没有观测,其状态已然确定。
而玻尔的解释则是,手套在装袋的瞬间,它们的状态已经“塌缩”并确定下来,之后的观测并不产生任何影响。他认为上述的思想实验不成立。
玻尔和爱因斯坦两个学派的争辩持续了数年。在上世纪六十年代,贝尔进行了一项实验,证明了纠缠中的光子“相互沟通”的速度确实远超光速,并且速度极快。后续许多科学家进行了类似的实验,结果都证明了量子纠缠的真实存在。
难道光速不变的原理被打破了?
答案并非如此,虽然量子纠缠的速度远超光速,但纠缠的粒子之间并没有传递任何信息,纠缠的粒子是一个整体,它们表现出的是整体性,测量一个粒子肯定会影响另一个。由于没有信息传递,我们自然无法通过量子纠缠传递任何信息,也不能利用量子纠缠进行瞬间移动。
而我们目前正大力发展的量子通信,并不是利用“超光速传递信息”,而是利用量子纠缠进行“加密”。由于微观粒子的不确定性,科学家可以利用纠缠中的粒子来生成密码,这种密码是完全随机的,无法破解。
如果任何人试图破解密码,肯定会对纠缠中的粒子造成影响,纠缠中的粒子便会立即“塌缩”,这种改变能够被迅速监测到:有人正尝试破解密码!
所以说,尽管量子纠缠令人费解,但它并没有违反爱因斯坦的相对论,我们不能利用量子纠缠进行任何超光速的操作。
量子力学与相对论是现代物理学的两大支柱,我们通常所说的“量子力学与相对论不协调”主要是指量子力学与广义相对论的不协调,前者强调时空的不连续性,后者相反。然而,量子力学与狭义相对论之间并不存在矛盾。
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