量子力学虽然已经发展了100多年,但仍然是物理学中的前沿理论,主要原因是人类根本没有理解量子力学的本质和底层逻辑。
说白了,科学家知道量子世界里确实存在奇怪的现象,但是他们不知道这些奇怪的现象为什么会存在,最根本的是,这些奇怪的现象似乎违反了我们的宏观物理定律。
比如量子纠缠现象,科学家发现量子纠缠的速度极快,甚至可以说是瞬时的,速度是光速的10000倍以上。
但是在我们的宏观世界中,有一个速度极限,那就是光速,任何物体或信息都不可能以超过光速的速度传输,这在爱因斯坦的狭义相对论中早就被提及了。 那么,为什么量子纠缠如此之快,以至于它可以“比光速还快”地传输呢? 它是否违反了爱因斯坦的相对论?
首先,让我们来看看什么是量子纠缠。
物理学是这样定义的,当两个或多个粒子相互作用时,单个粒子的性质被合成为一个整体,然后单个粒子的性质就不能单独描述,而只能描述整个系统的性质,这种现象称为量子纠缠。
量子纠缠的概念是在爱因斯坦等人对不确定性原理的质疑和批判的基础上提出的,他们对哥本哈根学派提出的不确定性原理非常不满。 于是在1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森联合发表了《论量子力学描述的不完备性》,其中提到了量子纠缠。
在微观世界中,当某些粒子相互作用时,就会发生纠缠。 例如,当一个物体衰变并释放电子和正电子时,原始系统会分离成两个独立的系统,即电子和正电子,它们的方向相反,净力为零,自旋相反。
在观测之前,我们不知道电子和正电子的自旋方向,只知道两者的自旋方向相反。
根据哥本哈根学派的解释,电子和正电子的自旋方向其实在我们观察之前是不确定的,注意这里的不确定性并不是指“不知道”,而是完全不确定,说白了,它处于“叠加态”,自旋方向同时朝上和朝下。
当我们想看看电子的这种“叠加”是什么时,当我们观察到它的那一刻,电子就会从“上下”的自旋状态坍缩到“上下”的单一自旋状态。 同时,正电子的自旋方向也是瞬时确定的,与电子的自旋方向相反。
这就是我们通常所说的“观察导致波函数坍缩的行为”。 这里需要强调的是,波函数的坍缩实际上是一个假设,也可以被认为是一个公理。 说白了,科学家只是根据观察结果推断出之前的过程,并用一个假设来定义最终结果,这就是波函数坍缩。
至于为什么观测行为会导致“波函数坍缩”,对不起,科学家不知道这个问题,就像对量子力学的理解水平一样,科学家只知道观测确实会导致波函数坍缩,因为这就是结果,但他们不知道为什么。
然而,爱因斯坦和其他经典物理学的坚定支持者坚决反对哥本哈根学派的解释,认为世界不应该是不确定的,世界是可描述的和描述的。
爱因斯坦用两只手套之间的关系来解释量子纠缠。 假设有一副手套,每副手套都装在两个密封的盒子里。 无论两个盒子相距多远,当我们打开其中一个盒子,看到是左边的手套时,我们立即知道另一个盒子里装的是右边的手套。
这两只手套相当于一种“纠缠状态”,按照爱因斯坦的解释,手套的状态是确定的,但是我们不知道,我们是否打开盒子观察,盒子应该是左手套还是左手套,与我们的观察无关。
根据哥本哈根学派的解释,盒子是左手套还是右手盖是不确定的,不仅不确定,而且处于“叠加”状态。 换言之,盒子里的手套总是处于“左手套和右手套”的叠加状态,当我们打开盒子观察的那一刻,手套就从叠加状态坍塌到唯一确定的状态:要么是左手套,要么是右手套。
就好像两只手套在勾结,他们能瞬间告诉对方:我现在塌陷到左手套里,你感觉手套塌陷在右手套里!
这与我们的日常生活经验背道而驰。
别的不说,光是两只手套“勾结”的方式和过程,就足以让我们大吃一惊。 而这种被爱因斯坦称为“幽灵般的传送”的“神秘”勾结,理论上完全超过了光速。 但在爱因斯坦的相对论体系下,光速是所有物体的速度极限。 这也是爱因斯坦坚定地将不确定性和叠加的哥本哈根学派定在范围的主要原因。
薛定谔也强烈支持爱因斯坦关于不确定性和叠加态是荒谬的观点,甚至提出了一个著名的思想实验来质疑和讽刺哥本哈根学派,这个思想实验就是“薛定谔的猫”,之前已经详细描述过了,这里就不提了。
这里最大的问题是,为什么量子纠缠如此之快? 这是否违反了相对论?
首先,我们需要确定量子纠缠现象确实存在,并且早已应用于人类社会。 只不过,以爱因斯坦和玻尔为首的哥本哈根学派对量子纠缠有着不同的解释。
其实严格来说,量子纠缠谈不上速度,因为整个过程都是瞬间完成的。 更深入地说,量子纠缠中的两个或多个粒子实际上相当于一个“粒子”。 或者也可以这样理解,当两个或两个以上的粒子纠缠在一起时,它们并不是原来的粒子,而是合并成一个“大粒子”,这时候,当然无法描述两个粒子之间的关系,只能描述整体属性。 这在量子纠缠的定义中也有明确的说明。
退一步说,量子纠缠确实比光速快得多,但它并不违反爱因斯坦的相对论,因为整个过程不会传输任何信息。
我们通常听到的量子通信,当然不是通过量子纠缠来传输比光速更快的信息,而是更多的是加密信息,使其更加安全,这在理论上是不可能破解的。
我们都知道,在现实中,我们应用于文件信息的任何密码,其实都是人工编造的,看似混乱不规则,但实际上还是有规律的。 从理论上讲,只要我们用计算机暴力破解,无论密码系统有多强大,最终都能破解。
而利用量子纠缠现象来加密信息是不可能破解的。 因为密码本身完全是随机生成的,在观察之前你甚至不知道密码是什么,怎么可能被破解呢?
虽然不知道密码是什么,但发送消息的人可以向收件人发送一串密钥,然后将加密的消息传输给收件人。 事实上,这被称为“量子密钥分发”,它不是以超过光速的速度传输信息,而是对其进行加密。
并且由于量子纠缠过程,任何观察到的行为都会引起“波函数坍缩”,从而停止纠缠过程。 因此,如果有人试图窃取信息,他们必须进行观察,当然观察不仅仅是用眼睛看。 观测导致量子纠缠的暂停,势必会引起消息发送者的注意:有人试图窃取信息!
总之,量子纠缠确实远比光速快,但是它不传输任何信息,人类不可能实现“隐形传态”。
当然,在某种程度上,我们确实可以利用量子纠缠现象来实现“隐形传态”,我这么说并无矛盾,但是我们需要先将人体的所有信息传送到我们想要传送的某个星球上,这个过程还是传统的信息传输,或者说是光速。 然后,利用量子纠缠现象,在那个星球上与人体形成纠缠态的微观粒子被创造出来,然后重新组合,就可以实现“隐形传态”了!
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