量子力學是研究微觀粒子領域運動狀態變化規律的一門學科,它從19世紀末期開始興起以來,由於能夠很完美地解釋一些原子和亞原子層面上的物理現象,而這些又是經典力學和經典電動力學所不能圓滿進行解釋的,因此量子力學逐漸改變了人們對物質世界組成及其運動規律的認知,並在此基礎上形成了原子物理學、核物理學等一大批新興學科,而目前我們所依賴的計算機技術、晶片技術、通訊技術等眾多領域,都是得益於量子力學發展所帶來的重大變革和技術創新。
牛頓的經典力學主要解釋的是宏觀世界中的物體運動規律,相信大家在學生階段學習物理時,對牛頓力學中的諸多公式所帶來的複雜問題印象深刻,雖然我們身處宏觀世界,對於這些力學現象的原理理解起來也大費周折。而量子力學作為研究微觀世界的科學理論,它所表達的核心觀點:「微觀粒子物理體系的狀態可以由波函數進行表示,而波函數的任意線性疊加結果仍然能夠代表體系可能的一種狀態」,充分說明了微觀世界具有一定的隨機性,雖然我們不能以宏觀世界的不確定性來簡單地理解這種隨機性,但量子力學無疑超出了我們對宏觀世界的想像,有時甚至會顛覆我們在宏觀世界中的日常思維。
相信大家都聽說過量子糾纏這個概念,從本質上來說,量子糾纏就是量子力學領域中的一種超遠距離狀態下的相互作用,用比較形象地語言來描述,那就是在微觀世界的量子系統中,會存在著相互處於糾纏狀態的一對粒子,即使它們被放置於非常非常遙遠的兩個地方,都能夠感應到對方的存在和變化。按照量子力學的說法,如果兩個粒子的自旋處在糾纏狀態,那麼無論它們相隔多遠,如果觀測者對其中的一個粒子進行探測,假如測得的粒子自旋為1/2,那麼與之對應的另一個糾纏粒子便會立即坍縮到-1/2自旋的量子態。也就是說,無論處於糾纏態的粒子相隔是100公裡,還是1光年,疑惑是1萬光年,按照量子力學的觀點,原本屬於一個整體的糾纏粒子,在我們對其中一個進行測量確定其狀態後,另外一個就會立即轉變為與之相對反的對應狀態。
這個聽上去是不是覺得不可思議,就連包括偉大的科學家愛因斯坦都是這種感覺,於是愛因斯坦、波多爾斯基、羅森3位大佬,根據量子力學所描述的理論原則提出了EPR佯謬的觀點,主要依據是宇宙的速度上限是光速,任何物質,包括信息的傳遞都不可能大於光速,像量子糾纏的這種「鬼魅般」的超距作用的產生,是由於之前作為整體存在的粒子,在分裂的瞬間,其產生的兩個粒子的運動狀態(自旋)其實都已經確定了下來,我們對它們進行的測量其實只是獲取了它們的信息,而量子力學在微觀世界的適用,則是我們無法通過現有手段去探測到更深層次的信息而已。
而哥本哈根派量子力學的代表玻爾作出了明確的反擊,指出在粒子在分裂之前還是之後,都是一個統一的整體,而人類對它們的觀測,則引發了粒子運動狀態即自旋的改變,不能用經典力學的觀點來理解微觀世界的量子現象。量子力學和相對論固然是物理領域最重要的兩大基礎理論,但是它們的出發點和解釋物質運動變化的原理是處於兩個層面之上的,無論是哪種理論都無法說服或者推翻對方,這也是現代物理學的魅力所在。
根據愛因斯坦狹義相對論,任何有質量的物體都無法加速到光速,因為在洛侖茲變換的推導之下,可以描述出物體在運動狀態下,其運動質量與運動速度之間的關係,即M=M』/√{1-(V/C)^2},運動速度越快,其運動質量就會越大,達到這個速度所需要的能量就會越大;而當運動速度接近光速時,其運動質量就會接近無窮大,按照質能等價方程E=m*c^2,要達到這個速度所需要的能量就會無窮大,這顯然在現實世界中是無法實現的。不過,愛因斯坦的光速不變和光速最大理論,有個重要的條件就是零質量的物質可以達到光速,比如光子,一經產生就可以不用加速就達到光速。
按照量子力學的觀點,量子糾纏實質上是一種特殊情況下的複合系統量子態表現,它具有不可分解性,不能將之前整體的系統特徵,再通過簡單地分解,使其成為系統不同量子態的成員的張量疊加,即使是分解之後的兩個粒子,它們之間也不會進行任何的關聯性信息傳遞,而不傳遞信息的速度,不適用於愛因斯坦的相對論,因此,我們說處於量子糾纏態的粒子之間的運動,無論是它們相隔多遠,其變化之間的規律根本就不會違反相對論。這裡需要指出的一點,現在我們所發展和應用的量子通訊技術,並非以超光速進行實現通訊信息的傳遞,實際上它的速度也只是電磁波的速度,這裡的量子指的是一種特殊的加密技術而已。
現在還有一個看似和相對論矛盾的問題,就是宇宙膨脹速度超過光速的事實,根據哈勃定律我們可以計算出在距離地球326萬光年處,目標星系遠離我們的速度約為67公裡每秒,這也就意味著距離我們146億光年之外,目標星體的退行速度就已經超過了光速。但是這個速度僅僅是空間的膨脹速度,其中也沒有傳遞任何信息,因此同樣也不違反相對論。