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量子糾纏的原理是什么？為什么能超光速1萬倍？愛因斯坦無法理解
點擊：3902 作者：科學認識論 來源：今日頭條 發布時間:2022-10-27 09:01:51
量子糾纏到底是什么？為什么能超光速至少1萬倍？這篇文章會詳細地為小朋友們講清楚其中涉及的知識點。
從量子理論的基礎現象，到量子糾纏的原理，再到量子糾纏的驗證，最后再到量子糾纏的物理本質。
文章比較長，希望你能耐心看完，這會幫助你建立起對量子糾纏的全面認識。
要徹底搞清楚量子糾纏，還是得先從量子力學的基礎尋找答案。
了解過量子力學的人肯定都聽過波粒二象性和疊加態這兩個詞。
波粒二象性就是說，比原子還小的那些粒子，同時具有兩種狀態，這些粒子不僅像粒子，也像波。
粒子的波動性和粒子性會疊加在一起，也就是疊加態。
但是疊加態不單單指的是波粒二象性，還有自旋，偏振，位置，動量等其他物理性質的疊加態。
總之一句話，你只要不測量這個粒子，人家就一直處于各種疊加態中。
如果聽懂這些，那量子糾纏就很容易理解。現在我們知道：每個單獨的粒子都具有疊加態。
那你再想，如果兩個粒子通過某種方式組合在一起，那這兩個粒子的疊加態 是彼此獨立的，還是相互纏繞的？
答案是相互纏繞的。
那如果一個單獨的粒子衰變成兩個更小的粒子，那這時候這兩個粒子的疊加態是彼此獨立的，還是相互纏繞的？
答案依舊是相互纏繞的。
兩個粒子如果一開始具有某種共同的關系，那么即便兩個粒子分開，其疊加態也是纏繞在一起的。而量子糾纏正是這種疊加態相互纏繞的體現。
比如，一個具有0自旋的粒子突然衰變了，變成了兩個粒子，那么這兩個粒子由于都是由同一個粒子衰變而來的，所以在初始狀態就建立起聯系了。
未來，不管這兩個粒子距離有多遠，這種聯系會一直存在，具體表現就是疊加態的相互纏繞。這時候，這兩個粒子就是彼此的糾纏粒子。
糾纏粒子之間的疊加態會超越空間和時間進行相互作用。
現在注意我剛才說的這句話，疊加態會超越空間和時間進行相互作用。
超越空間很好理解，就是把兩個糾纏粒子分開，超越時間指的是兩個粒子的相互作用是同時的，理論上，甚至沒有速度的概念。
這里面的相互作用指的是對一個糾纏粒子進行測量，比如自旋，就會同時決定另一個糾纏粒子的自旋結果。
沒測量之前，這兩個糾纏粒子的自旋處于疊加態，每個粒子即是上旋也同時是下旋。
測量行為就會導致兩個粒子的自旋變得確定，如果一個糾纏粒子的自旋為上，那另一個必然為下，反之亦然。測量行為導致的疊加態消失就是測量坍塌效應。
現在很多人都知道量子糾纏是超光速的，其實這種說法并不嚴謹。
在理論上，量子糾纏就不存在速度的概念。因為糾纏粒子之間的相互作用是同時發生的，如果說存在速度的話，那是不是意味著糾纏粒子的相互作用存在時間差呢？
所以在提到量子糾纏的時候，盡量不要用“瞬間”“立馬”這樣的詞語描述，最好用“同時”這個詞。
理論歸理論，但是實驗還得做，你不做實驗，怎么知道糾纏粒子的作用就是同時的呢？
但是回頭一想，貌似這樣的實驗壓根就無法做。
假如，你把兩個糾纏粒子放到太空中，距離30萬公里，時間精度是0.1秒，操作了一通，結果的確發現量子糾纏是同時的。
但是有人還會說，時間精度不夠，這只能說明量子糾纏的速度不低于10倍光速。
然后，你又將時間精度提高到0.01秒，即便實驗依舊成立，但還會有人說精度不夠，這只能表明量子糾纏不低于100倍光速。
2013年，由中國科學家 潘建偉 帶領的團隊就測試過量子糾纏的速度下限。
在這篇名為《限制“遠處的幽靈行動”的速度》的論文摘要中提到。
愛因斯坦等人將量子糾纏中的非局域關聯稱為“遠處的幽靈行動”，如果確實存在這一可怕的行為，那它的速度是多少呢？
在這里，我們通過觀察 連續12個小時違反貝爾不等式的實驗得出結論：“幽靈行動”的速度下限是光速的四個數量級。
這個實驗意味著：起碼在驗證上，量子糾纏至少是光速的一萬倍。但要清楚，由于實驗精度的限制，目前只能確定量子糾纏的“速度”不會低于光速的一萬倍。
在未來，如果條件允許，還會做量子糾纏超光速一億倍，一兆倍的實驗。
但這樣的測量有意義嗎？
其實并沒有多大意義，我估計在未來，要證明一臺超級計算機的算力，除了測量圓周率的位數外，還會新增量子糾纏超光速多少倍的指標。
接著下一個問題，現在既然已經確定量子糾纏是超光速的，那這種超光速到底是如何實現的？
在目前的物理框架中，兩個物體要進行相互作用，必然需要借助一種中介物質（介質）。
在標準模型中，我們已經知道：光子，膠子等玻色子和各種場可以充當物質相互作用的介質。
但是這些介質的速度上限是光速。
所以對于超光速的量子糾纏來說，是沒有任何玻色子和場能夠充當糾纏粒子之間的介質的。
于是就出現了另一種解釋，這種解釋便是邏輯判斷。
這里有兩個經典案例，一個是寡婦模型，一種是手套模型。
我們先說說寡婦模型。鐵蛋和翠花本是一對情侶，經過了長達10年的愛情長跑，終于結婚了。在結婚的那一刻，鐵蛋和翠花就有了夫妻之實。這種關系就相當兩個糾纏粒子享有共同的疊加態。
突然有一天，作為丈夫的鐵蛋因為車禍掛了。所以在事實上，不管翠花愿意不愿意，鐵蛋掛的同時，也是她變成寡婦的同時。
這就相當于對一個糾纏粒子的測量，會同時影響另一個糾纏粒子。
還有一種解釋就是，手套模型，將一雙手套，隨機放入兩個盒子，只有當打開其中一個盒子的同時，也就會同時知道另一個盒子里裝的是什么手套。
這兩種案例就是典型的邏輯判斷，這種解釋也能讓很多人愉快地接受量子糾纏。
可問題就在于，人家事實并不是這樣的。
如果量子糾纏是邏輯判斷的話，一旦測量，那結果就是確定的，不會再改變。
而事實上卻是，如果打開盒子發現是左手套，蓋上盒子后，再打開，就又可能變成右手套了。
量子糾纏就是這樣，多次測量糾纏粒子，其結果并不相同。
這就奇怪了，為了解釋這個問題，愛因斯坦也是絞盡腦汁，因為在愛因斯坦看來，任何兩個粒子之間要進行相互作用，必然要依靠介質，但任何介質的速度都無法超光速。
也就說，任何遙遠區域發生的事件都不能以超光速的形式 影響另一區域的事件。就是著名區域實在論。
愛因斯坦自然是區域實在論的捍衛者。
在他看來，糾纏粒子之所以看起來可以違背區域實在論，是因為糾纏粒子之間存在一種人類還沒有發現的作用機制。
愛因斯坦將這種未知的作用機制叫做隱形的變量，也就是隱變量。
并指出，由于量子力學還沒有發現這種隱變量，所以量子力學并不成熟，還有很多亟待完善的地方。這就引申出量子力學是否具有完備性的爭論。
所以，這時候，問題的一切都集中在這個隱變量上了。
其實在上個世紀三十四年代，大部分物理學家都支持愛因斯坦的隱變量學說，包括量子之父的普朗克和喜歡玩貓的薛定諤。
因為在當時的保守派看來，哥本哈根學派用概率描述粒子也就罷了，畢竟找不到更好的理論描述粒子的行為，這暫時只是不得已的辦法。大家即便有矛盾，還起碼可以坐下來好好商量。
而量子糾纏這種違反區域實在論的超光速行為，簡直不能忍，這直接和相對論干起來了，連桌子都給掀了，大家就沒有商量的余地。
保守派從來沒有接受過如此扯淡的理論，不管從科學常識還是內心情感來說，都無法接受量子糾纏這種詭異的相互作用。
1935年，愛因斯坦聯合 波多爾斯基 和 羅森共同發表了名為《能認為量子力學對物理實在的描述是完全的嗎》。由于這篇論文的三個作者名字的首字母分別是E，P，R。所以這一論文也稱為EPR佯謬。
現在問題是提出來了，但是解決問題的人遲遲還沒有出現。
直到29年后的1964年，愛爾蘭物理學家約翰•貝爾 才提出了 貝爾不等式，給出了驗證EPR佯謬的可行性實驗
這個實驗主要是通過非均勻磁場角度的改變，測量糾纏粒子的自旋狀態的概率分布。
如果存在隱變量，那么測量糾纏粒子得到的概率就和磁場角度呈線性關系，貝爾不等式立，愛因斯坦是對的。
如果糾纏粒子的概率和磁場角度呈非線性關系，則貝爾不等式不成立，隱變量不存在，則量子力學是完備的。
科學家在半個世紀內，做了大量的貝爾實驗，實驗的結果全都指向，貝爾不等式不成立，愛因斯坦是錯的。量子糾纏之間不存在所謂的隱變量。
但是這些實驗還存在著不小的爭議，主要的爭議是 用于實驗的糾纏粒子距離太近，操作實驗過程不隨機。
為了解決這些問題，后來還有10萬人參與的大貝爾實驗。事實上，物理學家對大貝爾實驗的結果一點都不意外。
這個實驗更多的意義是面向大眾的一次科普活動。在座的很多小朋友也許正是通過大貝爾實驗才開始了解量子力學的。
講到這里，很多小朋友們已經按捺不住內心的躁動了，腦海中已經誕生了偉大的想法。
我雖然不知道你在想什么，但是答案就是：不能！
首先，量子糾纏這種超光速現象并不存在傳播子（介質）。沒有傳播子就證明：在量子糾纏的超光速作用中，并沒有實在的物質發生了超光速運動，也就無法承載信息和能量，所以并不違背相對論。
你可能還會想，即便沒有傳播子，量子糾纏照樣可以傳遞信息。
你的想法是不是這樣的：先將二進制的0和1分別對應成粒子的上旋和下旋。
通過對粒子不斷的測量，就會形成大量的上旋和下旋結果，通過解讀自旋結果就能對應成0和1，這樣就可以傳遞信息了。
這種想法固然很好，但問題是，測量糾纏粒子導致的 自旋疊加態坍塌 是完全隨機的，你根本無法按照預訂的想法控制自旋態坍塌的結果。所以無法刻錄有效的信息。
這時候可能有人會說，沒關系的，不用控制自旋的狀態也能傳遞信息。
我們只需將自旋疊加態是否坍塌看成0或1就行。
假設，自旋疊加態坍塌的這一行為是1，沒有坍塌是0。
那么就可以設定，在一秒內，如果粒子的自旋態坍塌了，就證明遙遠的那個糾纏粒子已經被測量了，那么這就表示1。如果一秒內沒有坍塌，那就證明沒有被測量，這就代表0。
這種想法固然美好，但你又是怎么知道粒子是否坍塌了？
你想要知道糾纏粒子自旋態是否坍塌就得觀察。
那自旋態坍塌的結果到底是因為是你的觀察而坍塌，還是因為遙遠的糾纏粒子被測量而坍塌的。所以這種方式也是被堵死的
其實，我們理解量子糾纏一定不能套用經典的物理概念。
因為量子世界的一切都是模糊的，沒有確定的行為。這并不是因為電子顯微鏡的分辨率不夠高，而是由于量子世界的本質就是疊加態，模糊，不確定的。
所以只能用概率描述模糊。
量子糾纏也是一種模糊的疊加狀態，這種疊加狀態不會因為距離的遠近而變得忽強忽弱，因為在量子力學看來，具有相同疊加態的糾纏粒子其實是同一個粒子，具有量子不可分離性。
我們之所以難以理解量子糾纏，就是搞錯了整體的概念。
我們可以不假思索地認為一個原子就是一個整體。
但是當你把原子放大看，里面幾乎都是空的，都是縫隙，那這時候原子還能被視為整體嗎？
由于這種縫隙相對于人類來說太小了，所以我們難以察覺。
但是對于兩個糾纏粒子來說，人家本來就是一個具有不可分離的整體。
空間縫隙可大可小，如果糾纏粒子之間的距離是0.001納米，那么它們之間的縫隙就可以忽略，我們就可以心安理得地認為糾纏粒子之間的作用再正常不過了。
但是當這種縫隙大到一光年，我們就無法理解糾纏粒子的相互作用行為了。這時候我們就會忘記，其實這兩個糾纏粒子本來就是同一個粒子而已，只不過縫隙有點大。
這一點的確很反常識，在理論框架中，只有基本粒子才能被視為不可分離的整體，既然不可分離，怎么可能存在縫隙。
所以就有物理學家認為糾纏粒子只是同一個粒子在高維空間的體現。
這種理論的通俗解釋是：假如我們生活在二維空間的一個平面上，在這個平面上有個粒子，如果這個二維平面在三維空間上卷起來了，那么這個粒子在二維空間看來，就存在一個分身，本體和分身之間即便相距十分遙遠也會同時相互作用，這簡直就無法理解。
但在三維空間看來，這本來就是同一個粒子，并不足為奇。高維空間或許也是解釋量子糾纏的一種可靠理論。
來源：科學認識論今日頭條號
責任編輯：向太陽
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