詭異的量子糾纏,或許是微觀世界更基本的特性

2021-02-15 鯤鵬科學會

藉助簡單的理論模型,就有可能建立嚴格按照經典物理規則運行的系統,同時忠實地再現量子力學對單個粒子的預測,甚至是那些最矛盾的預測!那麼量子行為的真正標誌是什麼呢?

量子現象的世界充滿了悖論,人類的直覺無法理解,經典物理學也無法解釋。這是我們在量子力學中幾乎總是聽到的論點。下面是一些通常被認為是典型量子現象的例子:一個電子在兩個狹縫後面產生幹涉條紋,仿佛它同時經過兩個縫;粒子處於不同的狀態,但在觀察時卻「神奇地」出現在一個選定的狀態;測量無相互作用;或者最後是非定域性,它給人的印象是糾纏的粒子會立即在任何長距離上相互作用。但是,所有這些現象都必須是純粹的量子現象嗎?

在剛剛發表的一篇文章中,來自克拉科夫波蘭科學院核物理研究所(IFJ PAN)的帕韋爾·布拉斯克(Pawel Blasiak)博士展示了如何從經典物理學的構建模塊中構建廣泛理解的光學幹涉系統,忠實地再現對單個粒子的最奇怪的量子預測。提出的模型幫助我們更好地理解為什麼需要量子力學,以及它真正告訴我們關於新的周圍現實的內容。如果量子效應有一個簡單的經典解釋,人們就不應該去尋找其中的任何特定秘密。

布拉斯克博士說:「關於量子力學有很多爭議,即使在今天,當這個理論已有近百年的歷史時,大多數物理學家更願意只使用它,避免對解釋感到不舒服的問題。我們的問題產生於這樣一個事實--我們太堅定了。早些時候,我們首先要觀察某些現象,為了解釋這些現象,我們要在公認的物理直覺的基礎上構造一個數學裝置。在量子力學的例子中,卻發生了相反的情況:我們僅從幾條實驗線索中就猜出了一個非常抽象的數學形式主義,它很好地描述了實驗室測量的結果,但我們不知道它背後的物理現實是什麼。」

美國傑出的物理學家理察·費曼(Richard Feynman)深信,有一種現象在經典物理學中是絕對無法解釋的,那就是量子幹涉,量子幹涉是造成一個量子物體穿過兩條狹縫後可見的條紋的原因之一。量子糾纏是一個可以在一定距離內結合兩個或多個量子粒子的特性。一大群物理學家仍然想知道,這些量子力學的非直覺現象在多大程度上只是我們認知局限的結果,即我們所研究的世界的方式。我們對這個系統缺乏充分的了解,這將導致在這個系統中觀察到的現象獲得無法解釋的特徵。這種方法試圖將量子力學視為一種具有明確定義的本體論的理論,從而引出了什麼真正區別於經典理論的問題。

「物理評論A」中的文章論證了由按經典物理原理工作的元件構成的複雜光學系統的建模原理,並加入了某些局部隱變量,我們只能間接地訪問這些變量。布拉斯克博士表明,對於單個粒子,所提出的模型忠實地再現了通常被認為是量子行為的明顯標誌的所有現象,包括波函數的崩潰、量子幹涉。此外,這些現象的經典類比變得相當簡單。然而,該模型不能再現量子糾纏的特徵,而糾纏的發生至少需要兩個量子粒子。這似乎表明,糾纏和相關的非定域性可能是量子世界的一個比量子幹涉更基本的性質。

這種方法使我們避免了在討論量子力學的基本原理和解釋時迴避答案的可怕做法。我們有工具來制定這些問題,並精確地解決它們。所構造的模型旨在表明,具有有限獲取信息的本體論模型至少具有在廣泛理解的經典物理中解釋大多數奇特量子現象的潛在可能性。剩下的唯一真正的量子神秘就是量子糾纏。

量子糾纏因此進入了量子力學的核心,表明「某種東西」迫使偏離經典理解的現實,並將神秘的邊界轉向多粒子現象。結果表明,單粒子的量子效應可以成功地在經典(即局部)本體論模型中再現,而信息訪問有限。因此,如果我們忽略多粒子現象,我們基本上可以沒有量子力學和它的「幽靈」非定域性。所描述的局部模型,再現單個粒子的量子現象,非常清楚地定義了極限,超過這個極限,關於非局域性的陳述失去了它們的合法性。

薛丁格似乎已經掌握了量子力學的核心。但是沉默的勝利者可能是愛因斯坦,他從來不滿足於普遍接受的量子力學解釋。如果沒有他那些頑固的問題,我們就不會有貝爾定理,也不會有今天的量子信息領域。

這就是為什麼對量子力學的研究如此引人入勝的原因。它的範圍從關於我們現實本質的反覆出現的問題到實際量子行為的本質。

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