量子纠缠是什么意思?

   2023-09-20 15:46:33 40
核心提示:量子纠缠指的是两个孪生粒子命运紧密相连的状态。孪生粒子中,A 粒子状态必然与 B 相反。1935 年,薛老师很忙。除了 N 多前女友和养猫以外,薛老师发现了量子的另一个诡异之处,而当时几乎没有人注意到这个问题。为了研究微观世界,看看原子核这个大西瓜肚子里都有些什么籽儿,科学家祭出了最强大的武器:粒子对撞机。欧核

量子纠缠指的是两个孪生粒子命运紧密相连的状态。

孪生粒子中,A 粒子状态必然与 B 相反。

1935 年,薛老师很忙。

除了 N 多前女友和养猫以外,薛老师发现了量子的另一个诡异之处,而当时几乎没有人注意到这个问题。

为了研究微观世界,看看原子核这个大西瓜肚子里都有些什么籽儿,科学家祭出了最强大的武器:粒子对撞机

欧核中心(CERN)的加速器就是干这个的:

最常见的现象是:母粒子被撞击后,分裂成两个更小的粒子 A 和 B。

因为能量守恒原理,子粒子能量相同,方向相反。

比如说,因为母粒子静止不动,所以分裂后的子粒子 A 向左边飞,B 一定往右边飞,这样才能左右抵消。

同理,A 的自旋(角动量)向上,B 的自旋一定向下。

至于具体是向上还是向下,这是个随机事件,必须观测后才能知道。

那么问题来了:根据量子理论,在不被观测的情况下,粒子处于多种可能性的叠加态

举个例子。

就像箱子里那只不死不活的薛定谔的猫一样:A 和 B 这对龙凤胎粒子,自打出娘胎起,他们的性别就没确定,直到有人来看了一眼,这才瞬间分出男女!

然而和薛猫不同的是,箱子里的猫只有一只,孪生粒子却有两个。

而且,这两个粒子即使相隔很远很远,叠加态也能保持不变。

如同在千里之外,瞬间产生联系……

是时候@爱因斯坦了。

来自幽灵的威胁

大家都知道爱因斯坦创立了相对论

但很少有人知道,大神在 35 岁就已经功成名就(完成狭义+广义相对论),而在之后 40 年的悠长岁月里,他其实都在纠结一件事:量子力学

曾经,他也是一个集美貌与才华于一身的男子:

研究量子力学 30 年之后:

能让爱因斯坦这种大神级人物「不明白」的,不是深奥的理论和复杂的公式,而是宇宙的意义。

爱因斯坦深信,宇宙在本质上是高度和谐的,这种和谐是可以通过数学之美体现出来的。

所以,一个理论如果不美,倒不是说一定是错的,但它肯定不够本质。

在更高的层面上,和谐,比对错更重要。

而量子力学,在爱因斯坦看来,就是一种不和谐(不完备)的理论。

比如,量子力学的核心思想是:

微观世界的一切只能用概率统计来表达,而具体到单个的粒子,它的状态是不确定的叠加态。

把这个粒子放大 N 亿倍,就成了薛定谔的猫。

这是第一个让爱因斯坦不爽的地方:量子力学否认了物质的实在性。

爱因斯坦认为,根本不存在薛定谔思想实验中那只不死不活的叠加态的猫。

猫的死活在观测之前就是定数,只不过愚蠢的人类看不见箱子里发生的一切,只能推测出「50% 活 or 50% 死」的概率。

你是不是突然有一种,和爱因斯坦英雄所见略同的感觉?

打个不太恰当的比方(给量子打个恰当的比方真的好难!):

比如,我在知乎的粉丝男女比例是 80:20。

我相信,每个关注我的知友,一定都对自己的性别深信不疑。

然而,那些发明量子力学的疯狂科学家们,他们竟然说:80:20 的比例,说明每位知友的性别是不确定的,见面时 80% 的可能性会变成男生,20% 的可能性变成女生!

因为只有这样我才能解释,为什么线下活动时见面的都是男生,而索要福利的都是女生。

至于女生为什么没来,可能是出于一些很简单的原因,比如当天身体不舒服。

仅仅因为我们不知道背后的原因,就认为人的性别是可以按一定概率随机改变的,纯属不切实际的猜想。

这个「背后隐藏的原因」,学名叫作 「隐变量」

当时包括爱因斯坦在内的很多人都以为,一旦我们揪出了隐变量,量子力学那些混沌不清的阴暗角落,就会被照亮得一览无余

一个不掷骰子的上帝,一个确定无疑的世界,一个可以被人类的直觉完全理解的宇宙——这就是爱因斯坦的终极梦想。

到那时,「薛定谔的猫」之类的奇幻故事,只能给孙子当哈利波特讲了。

结果,猫的故事还没讲完,薛老师又想了一出「孪生粒子叠加态」,第二次触怒了爱因斯坦大神。

因为这一次,量子力学要挑战的是相对论。

研究微观小世界的量子力学,怎么会和研究宏观大宇宙的相对论结下梁子呢?

这又是薛老师「一不小心」捅下的篓子。

在薛定谔「孪生粒子」的思想实验中,两个相距万里的粒子,观测出 A 的状态,也就知道 B 的状态,因为 A 和 B 都是一个母粒子分裂而成的, B 的状态一定和 A 相反

因为 A、B 两个粒子的 命运紧密相连 ,牵一发而动全身,所以薛老师给起了个性感的名字: 量子纠缠

这就好比如:母亲把一双鞋分给兄弟俩,他们各带一只远走他乡。

中国的哥哥打开盒子发现是左脚,就知道弟弟带到美国的另一只一定是右脚。

看上去,这并没有什么稀奇。

稀奇的是,根据量子力学的说法,弟弟那只鞋左还是右,不是他妈决定的,而是哥哥「打开盒子」的行为决定的。

在哥哥看到左脚鞋的一瞬间,鞋里飞出一个神秘的信号,闪电般穿过千山万水,通知美国的另一只鞋变成右脚!

这个速度能有多快?

无限快。

但是,上帝允许无限快的瞬时传送吗?

在这个宇宙中,没有东西能超过真空光速

不要说超过光速,就是试图接近光速的行为,都会导致时空的畸变。

宇宙的尺度是以「亿光年」为单位计的,在恢宏的空间中,银河系一边发生的任何事情,不可能立即对彼岸的世界造成影响。

就算此时此刻太阳爆炸了,我们还能逍遥自在地活 8 分钟,因为 8 分钟后,光才来得及从太阳飞到地球。

通过对粒子 A 的观测,居然瞬间让远方的粒子 B 的量子叠加态塌缩了——这被爱因斯坦斥为「幽灵般的超距作用」。

在严谨的学术界,「幽灵」是一个让人联想起伪科学的词。

不存在超光速,更不存在超距作用,因为这是相对论的大前提:局域性。

如果量子纠缠允许超光速,那么,是量子力学错了,还是已经被无数次实验证实的相对论错了?

在爱因斯坦看来,这压根不是个问题。

一双鞋,俩兄弟当时分到的就是哥左弟右;两个粒子,在分裂的一瞬间 A、B 的状态就是确定的。

 
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