中国民间故事里有个“崂山道士”,他可以穿墙而过,你以为这是骗术?
据说,这面墙就是崂山道士修炼穿墙术的地方!
崂山道士
量子力学中,“穿墙术”竟然是真的,叫“量子隧穿”。
这些匪夷所思的概念背后,正是量子力学。
而量子纠缠,是一种量子力学的现象之一。
搞懂量子纠缠之前,必须搞清楚量子是什么东东?
各位,先让我们先了解一下量子论创立者——普朗克(1858年—1947年)吧。
左:研究前的普朗克,右:研究后的普朗克
普朗克在研究量子前后的对比照,把一个活脱脱的美少男变成了凌乱的毁容大叔。
你如果不想毁容,或者不想神经错乱,就此打住!
不过你的好奇战胜了你,请继续看——
“一花一世界,一叶一菩提”,原文应是:一花一世界,一叶一如来。
这里用菩提代指了如来。出自《华严经》。
还有一首英国小诗:“一沙一世界,一花一天堂”。
人们惊叹此诗的想象力。
其实,这些都是真的!
不过,不是周山小编说的,我说的你也不信。
1913年,28岁的丹麦青年玻尔告诉你:一沙一世界,这是真的。
打个不严谨的比方,如果把原子这枚粒子,放大10的30次方倍,就相当于一个银河系;一个原子,包含了整个宇宙,是一个宇宙的“全息胚”。
这一年,玻尔提出原子构造模型,宣告了量子力学进入“青年时代”,他开创了著名的“哥本哈根学派”,成为全欧洲的学术中心。玻尔凭此成就,成为了量子界早期“三巨头”:普朗克、爱因斯坦、玻尔。
接下来,玻尔与爱因斯坦的大论战,是几个世纪来科学史上最了不起的论战。 1927年,索尔维会议召开。 “索尔维”的名字你可能没听过,但是爱因斯坦、居里夫人、普朗克、玻尔、薛定谔、海森堡这些人你一定听过,他们都来了。下面这张大神级的合影,被称为人类历史上智商最高的一张合影,29人中共有17人获得诺贝尔奖。
1927年索尔维会议合影 他们分为三派:
一,哥本哈根一派,由玻尔领衔,支持者波恩、海森堡、泡利等;
二,爱因斯坦一派,支持者有德布罗意、薛定谔等;
三,实验派,暂且略过。
一群“小将们”就前沿物理问题唇枪舌战、你来我往几个回合之后,没有结论,互不买账。于是,讨论很快指向了幕后的真正大佬,爱因斯坦和玻尔的对决。
爱因斯坦和波尔
1935年,爱因斯坦等人针对量子力学理论提出了一个“EPR佯谬”说法。
打个比方,假定爱因斯坦和玻尔两人形成了“量子纠缠”状态,情绪是相反的,玻尔开心,爱因斯坦肯定难受;玻尔难受,爱因斯坦肯定很爽。但是他们相距千里,一个在美国,一个在丹麦,如果你问了其中一人,就能瞬间断定另一人的心情好坏,有点像人们常说的“心灵感应”。爱因斯坦说,“这不可能,因为违反了我的相对论,任何物体(信息)都不能超光速,除非世间有‘鬼魅般的超距作用’。”这次,玻尔大腿拍肿了都招架不住,唯一能做的就是承认量子世界是一种超越空间的存在。直到他去世前,还画着与爱因斯坦的论战实验图。爱因斯坦暂且“赢”了。 因为几十年后,多国科学家(包括中国)用精巧的实验,反复证明了“鬼魅般的超距作用”的确存在!真是见鬼了。随机性和超距作用,是量子力学让人不得不接受的两个硬事实。 爱因斯坦有着严格的经典世界观,坚持探究世界的本源,认为“上帝不掷骰子”;而玻尔反击,“老爱,你不要告诉上帝该怎么做。”后者是一种“不要问我从哪里来”的世界观。如果请尼采来给两人当裁判,尼采也会宣布:“上帝死了。”爱因斯坦,死不瞑目! 冥冥之中,宇宙似乎是一个整体,任何一个行动都会立即影响到其他所有的事物,背后这个超越时间、空间感知的东西,叫做:“波函数”。有意思的是,写出量子运行波函数的是一位“撸猫”大师,现在,科学上最著名的“萌宠”要隆重登场了。
薛定谔在1925—1926年的一段长达5个月的婚外情中,创立了“薛定谔波动方程”。这个方程有多牛呢?在量子力学中,地位相当于牛顿定律在经典力学中的地位,人称“情欲的大爆发”。
薛定谔
有一天,薛定谔在家“撸猫”,竟然撸出了科学史中最好玩的思想实验: 假设把一只猫和一个量子装置关在盒子里。装置里有一个放射性原子和一个毒药瓶。如果原子衰变,就会把毒药瓶打破,把猫毒死;如果它不衰变,毒药瓶就不会破,猫就继续喵喵叫。猫到底是死是活呢?打开盒子“测量”才知道。当你打开盒子的一刹那,“既死、又活”的状态就消失了,变成了或者死、或者活,一切回归正常,这个过程叫“波函数坍缩”。这个观念是不是有点熟?没错,中国先哲王阳明早就说过:“你未看此花时,此花与汝心同归于寂。你来看此花时,则此花颜色一时明白起来”,看来,我们老王也摸到了量子力学啊。
扯了这么多量子力学的经典故事,现在应该言归正传了。
那人到底能不能穿墙?
根据薛定谔方程求解,理论上是可以“隧穿”的,但概率极低、极低、极低,他需要一刻不停地去撞墙,撞啊、撞啊、撞啊,从宇宙大爆炸之初撞到2022年,也很难撞出奇迹。 一个终极问题,宇宙的起源是什么?同样离不开量子力学。 坐在轮椅上的“爱因斯坦”——霍金说,宇宙开始之前,处于一个“量子叠加态”,它可以演变成无数种历史。突然,宇宙的“波函数坍缩”了,时间开始,暴胀发生。我们所在的宇宙,只是宇宙无数可能的中的一个而已。 主流的宇宙“暴胀理论”认为,广阔的真空中,量子涨落的一次偶然隧穿,让宇宙诞生之初经历一次超级猛烈的膨胀。
现在可以解释一下“量子纠缠”了。
量子纠缠是一种量子力学现象 ,它指的是处于纠缠状态的两个量子,不论相隔多远,都会存在一种关联,其中一个量子状态发生了改变,另一个量子的状态也会瞬时发生相应改变,无视空间的限制。
如果用尽量专业的术语来描述“量子纠缠”,应该是这样:
在量子力学里,当几个粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质,无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,则称这现象为量子纠缠。
量子纠缠跟心灵感应有一些相似之处,相信很多朋友都听说过,一些双胞胎存在心灵感应,二者之间处在不同的城市,一个受伤了,另一个也能够瞬间感应到,有科学家认为,心灵感应有可能也是一种量子纠缠现象。
2022年的诺贝尔物理学奖已经发布,得到这个奖项的是三名科学家,分别是法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格。
这三名科学家的研究方向都是相同的,那就是量子纠缠,诺奖发给他们,也是表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所做出的贡献。
人类已经发现了量子纠缠的一些奥秘,未来的方向就是将发现应用到现实,研究出一些科技产品,例如:量子计算机,量子加密通信,量子网络等。
举个例子,比如星际探索,以我们现有的无线通讯,一次通讯少则几年,多则可能数十年,数百年,这完全不利于星际探索。我们需要更高级别的无线通讯模式,以量子纠缠研究的量子通信无疑非常好,它可以做到无视距离,即使星际飞船距离地球有数光年,数十光年远,也可以做到即时通讯,对于人类探索研究有着重要的意义。
潘建伟团队
2016年12月,从中国科学技术大学获悉,潘建伟院士及同事陆朝阳、陈宇翱等近期在量子信息科研领域再获重大突破,他们通过两种不同的方法制备了综合性能最优的纠缠光子源,首次成功实现"十光子纠缠",再次刷新了光子纠缠态制备的世界纪录。
潘建伟和墨子号
2017年6月15日公布,中国量子科学实验卫星"墨子号"迎来了第一项重大成果,率先成功实现"千公里级"的星地双向量子纠缠分发,打破了此前国际上保持多年的"百公里级"纪录。
2018年2月,中国实现星地千公里级量子纠缠和密钥分发及隐形传态,荣获科技部2017年度中国科学十大进展。