愛因斯坦的幽靈——量子糾纏

2021-01-14 科學塢

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可能大多數人搞不懂什麼是量子糾纏,但大多數人一定都了解撞球。打撞球的關鍵就是控制球的方向和速度,誰控制得好,誰贏的機會就大。那麼量子糾纏和撞球有什麼關係嗎?

一、撞球中隱含的前提

兩個球相撞之後分開,它們的位置和速度就會有關聯。當測量其中任意一個球,就會知道另外一個球的位置,不論這個球相距多遠;對於速度的情況也是如此。這裡面隱含著這樣一個前提,即撞球的碰撞過程是有規律的。

儘管兩個撞球的位置和速度之間存在相關性,但它們之間是相互獨立的。對其中一個小球進行測量,不會影響到另外一個小球;被撞地球落袋停止後,不會影響另外一個小球的運動。

在撞球中加入一套能在球之間通訊和反饋的裝置,這套裝置可以探測撞球自身的速度變化,並通過電波發送給另外一個撞球;另外一個撞球接收到信號之後,機械裝置啟動,改變撞球的速度。這樣就在兩個撞球之間建立了更緊密的相互聯繫。

姑且把這種更緊密的撞球聯繫稱作「糾纏」。不過電磁聯繫是可以被屏蔽掉的,所以這兩個撞球之間的「糾纏」並不緊密。如果你覺得這很正常啊,這就是我們認知的感覺世界啊,但接下來把撞球變成電子的話情況就變得非常詭異。

二、幽靈出世

兩個電子以相互作用之後分開,它們的速度(嚴格來說是動量)和位置之間存在下述關聯:兩個電子的速度總是大小相等、方向相反,而它們之間的距離隨著時間按一定的規律不斷增加。

看起來這個規律跟撞球一樣,測量到一個電子的位置之後,就會知道另外一個電子的位置,這種位置關係,可以證明兩個電子之間存在相關性。同樣地,我們測量一個電子的動量之後,也會知道另外一個電子的動量,這同樣能夠證明兩個電子之間的相關性。

可是,當我們仔細檢查一下對電子的測量結果,卻發現,儘管兩個電子之間的距離隨著時間的變化是有規律的,但是每個電子的位置卻是完全隨機的。同時,儘管兩個電子的速度的測量值總是大小相等、方向相反,但是其數值同樣是隨機的。

這種隨機性是一種意料之外的新現象,無論使用多麼精確的測量儀器,都無法消除這種隨機性。兩個電子的相互作用後與兩個撞球相互作用後的相關性不同,很明顯,電子之間的隨機相關性要比確定相關性更強。換句話說,就是電子之間的「糾纏」比撞球之間的糾纏更緊密。

三、這種隨機性是來自測量過程嗎?

很難想像兩個電子之間能建立這種隨機性的相關性,如果這種性質不是來源於電子自身,那麼就應該是來源於測量過程。但如果是由於測量導致的,那麼測量的結果將與電子位置的測量值有所不同,換句話說,就是測量會改變電子的位置,而這個改變後的位置對應於最後的測量結果。

還有一個非常重要的問題是,對其中一個電子的測量將同時改變兩個電子的位置,而不僅僅是被測量的那個電子。因為只有這樣,這兩個電子的測量結果之間才可能存在相關性。如果測量過程真的對隨機性有貢獻,反而更加說明了,在這兩個電子之間存在著某種神秘的「糾纏」。

現在的量子糾纏實驗已經證明,這種神秘的「糾纏」現象是真實存在的。那麼這種「糾纏」神秘在哪裡呢?

四、誰在糾纏?

可能你會說,這簡單啊,當然是微觀粒子之間存在糾纏啊,更具體的來說就是,自旋(偏振)相互糾纏。但微觀粒子的自旋狀態是怎麼樣的?它是確定的嗎?還是不確定的呢?或者是乾脆無法知道的?這就是問題的本質。

由於目前的實驗手段無法知道自旋狀態是否具有確定性,這就引發了更深刻的問題,自旋的實在性是否有意義?

五、量子糾纏的形式究竟是怎樣的?

現在的實驗手段可以輕而易舉地實現微觀粒子之間的「糾纏」,由於這種糾纏可以超越時空存在,那麼微觀粒子之間是如何建立實時聯繫的呢?這種即使是相隔萬裡也能保持「通訊」的能力是一種怎麼樣的方式呢?

六、怎樣才能解開糾纏呢?

辦法很簡單,測量即可。問題是,測量是如何解開糾纏狀態的呢?為什麼測量就可以解開糾纏呢?應該如何精確定義測量呢?現在有些人把測量歸結為意識,這使得測量一詞變得非常神秘。

七、超距作用是怎麼回事?

科學家們可以通過同時測量兩個糾纏粒子的狀態獲得這種糾纏的速度。實驗表明,量子糾纏不通過空間,也不需要時間(時間非常短)。即使用尚未證明的弦理論也不能用多維空間的概念解釋這種作用的瞬時性。迄今為止,沒有一個實驗能發現這種超距作用是怎麼存在的,換句話說,這種作用是隱形的。

結束語

量子糾纏現象的發現,向我們揭示了一個完全不同於兩個相撞後的撞球之間的「糾纏」,這意味著,我們熟悉的撞球相撞不過是一個幻象,微觀世界是不可思議的。

如今基於量子糾纏原理的「墨子號」已經上天四年了,取得了大量的科研成果;同樣基於量子糾纏原理的量子計算機也取得了突破性的進展。但是科學家們對於量子糾纏背後的原理仍然是一無所知,你覺得科學家們最後能找到答案嗎?

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