愛因斯坦的「否定」,誕生「宇宙由糾纏組成」,上帝擲骰子了嗎?

2020-11-04 寒武紀科學館

愛因斯坦是歷史上最著名的物理學家,在物理學領域取得了非凡的成就。愛因斯坦在的1905年也被稱為「奇蹟年」。

這一年,愛因斯坦發表了五篇論文,其中後來獲得諾貝爾物理學獎包括「光子假說」和「光電效應」,以及「相對論」。這些論文對隨後的物理學發展做出了重要貢獻,但是,在發表之時甚至只有三個人能理解。在發表這些論文時,愛因斯坦正在專利局工作,是該領域所謂的研究人員。你可以想像當時物理學界認為他是多麼荒謬。

與「相對論」同時代的物理理論還有「量子理論」,二者稱為20世紀的兩個主要物理學理論。量子理論現在被稱為「歷史上最成功的物理理論」,量子理論的應用創造了電晶體和半導體領域。

但是,愛因斯坦一生都沒有接受過這樣的理論,愛因斯坦用「上帝不會擲骰子」這個著名詞來批評這種量子理論。

量子理論適用於非常小的物質理論,僅通過「概率」知道小的物質的「位置」。換句話說,某個粒子「在◯◯位置處的概率是81%」和「在☆☆位置處的概率是26%」。愛因斯坦說,他一生都會拒絕量子理論,他認為只有通過擲骰子這樣的概率才能知道其位置的理論是「不完整的」。

相對論幾乎是愛因斯坦獨立創立的理論,而量子論是由許多物理學家的討論,發現和努力建立的理論。其中最著名的是布爾倡導的「哥本哈根解釋」。但是,愛因斯坦反對這種「哥本哈根解釋」,並說他自始至終與玻爾進行了激烈的戰鬥。

結果,愛因斯坦為量子理論的發展做出了貢獻。

愛因斯坦認為量子理論是「不完整的」。因此,愛因斯坦以某種方式試圖找到這一理論的矛盾,然後愛因斯坦想出一個思想實驗,後來被稱為「 EPR悖論」。(愛因斯坦擅長於思想實驗,通過思想實驗,他想出相對論:「如果我以光速撞上鏡子,它反射在鏡子裡了嗎?」 )愛因斯坦的「 EPR悖論」將「糾纏」表示為「理論矛盾」,也被稱為「幽靈般的超距作用」!但是糾纏很明顯確實存在,物理學家研究什麼是「糾纏」,這導致了量子理論的發展。

那麼,「量子糾纏」到底是什麼?

一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個物理量是量子化的,並把最小單位稱為量子。現在,存在兩個分離的量子,無論分離得有多遠,當一個量子變化的時候,另一個也會產生相應的變化,這就是「量子糾纏「。下面是一個例子。

兩個球在天上飛,一個是紅色,另一個是藍色。這兩個球飛行的速度如此之快,以至於肉眼看不到它們。但是,使用特殊的相機拍攝它們時,可以看到飛行球的顏色。

現在,分別用愛因斯坦的主張和玻爾的主張(即「哥本哈根解釋」)看看兩個球的情況。

愛因斯坦說,如果兩個球之間的關係「一個是紅色而另一個是藍色」,則一個球是「總是紅色」,而另一個球是「總是藍色」。事實如此,這是一種很容易接受的想法,沒有其他可能性。

但是「哥本哈根解釋」是不同的。玻爾認為,在觀察到這兩個球之前,它們的顏色是不確定的。換句話說,這兩個球在沒有被照相機拍攝到時處於「無色」狀態,只有在被照相機拍攝時才確定其是「紅色」還是「藍色」。對於很小的物質,例如原子,實際上就是一個球的大小,情況就是這樣。

現在,還有另外一件事需要理解。這是「信息「」不能比光更快地傳輸」的約束,這是愛因斯坦在相對論中提出的理論,也是物理學理論必須堅持的絕對約束。

「哥本哈根解釋」聲稱,兩個球的顏色直到被照相機拍攝才確定。然後,假設當球之間的距離太大以至於需要足夠的時間來提高光速時,照相機便會拍攝一個球。結果,假設您知道它是「紅色」。然後,在那一刻,您知道另一個球的顏色是「藍色」。儘管兩個球之間的距離都很大,但是當一個球的顏色為「紅色」時,另一個球的顏色為「藍色」。

在一個信息已知的時刻,另一信息似乎彼此同步知道,無論彼此之間有多遠,這就是量子糾纏,但是對於他們是否超過光速,科學家還不得而知。

這種「糾纏」不僅是學術上的對象,而且可以將其投入實際使用,那就是「量子計算機」。

科學家們構建了一對具有糾纏態的粒子,將兩個粒子分別放在通信雙方,而在無障礙的傳輸中,將具有未知量子態的粒子與發送方的粒子進行聯合測量,則接收方的粒子瞬間發生變化為某種狀態,這個狀態與發送方的粒子坍塌(變化)後的狀態是對稱的,然後將聯合測量的信息通過經典信道傳送給接收方,接收方根據接收到的信息進行變換,即可得到與發送方完全相同的未知量子態。

「量子計算機」正是使用「糾纏」的機制,現在回頭看看,正是愛因斯坦質疑的「糾結」,間接的促進了量子力學的發展。

如果「量子計算機」投入實際使用,我們的生活將發生巨大變化。

——全文完——

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