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纠缠的粒子为什么可以超距感应?关于量子纠缠的物理史话

诞生于20世纪20年代的量子力学,至今开山立派也近百年时间。这个学派以鬼魅功夫见长,量子叠加、量子震荡、量子干涉……各种量子效应,把物理学江湖搅了个翻天覆地,打得其他各学派毫无还手之力,一时间江湖人士纷纷一拥而入,拜码头,立堂口。

量子一派日益壮大,成了物理学江湖中继相对论之后的又一大宗派。然而这门功夫的精髓“只可意会不可言传”,即便是精通此道的玻尔、狄拉克、费曼等大牛,也说不清这门功夫的本源。时至今日,量子一派仍秉承“英雄不问出处”的理念,不太关心源头的问题。

纠缠的粒子为什么可以超距感应?关于量子纠缠的物理史话

量子力学这门功夫中最强的招式当属量子纠缠(quantum entanglement),这种无视空间的绝技,可谓杀人于无形。最早顿悟此绝技的并非量子力学一派之人,而是为量子一派兴起立下汗马功劳,却又走向其对立面的相对论开宗祖师爱因斯坦,他称其为“幽灵般的超距作用”。“幽灵”与“超距”这两个词把量子一派的鬼魅体现的淋漓尽致,让整个物理学江湖瑟瑟发抖。然而一代宗师爱因斯坦对量子纠缠却是排斥的,甚至是忌惮的。

而一切的缘由,都藏在那一段过往的历史之中。

富商搭台,大神唱戏。

20世纪比利时化学工业家欧内斯特·索尔维靠发明纯碱而发了财,闲得没事想进军物理学界。于是,索尔维搞起了圈层营销,为当时全世界知名的物理学家搭台唱戏,借学术探讨之名,行借机融入物理江湖之事。各学派带头大哥一看,有人乐意出钱出力让大家交流,这可是一件难得的好事。于是,从1911年开始,大家就隔三差五一聚,史称索尔维会议纠缠的粒子为什么可以超距感应?关于量子纠缠的物理史话

第五次索尔维会议

索尔维会议搞到第五届,也就是1927年,正是量子力学开始搅动物理学江湖的时代。关于“量子力学体系是否完备”的史诗级论战,也在爱因斯坦与玻尔之间拉开了。作为当时物理学界响当当的大神,爱因斯坦秉持一种决定论。他坚信如果掌握了事物的运转规律,就能给出其确定的描述,因此他认为量子力学的不确定描述是不完备的。他看不惯玻尔倡导的概率论,于是就用他那天才的大脑设计了好几个思维实验,企图击溃以玻尔为首的哥本哈根学派。

贵为宗师级大神的爱因斯坦出手没有一点留情,也没有一点大神的架子,每次交锋都是积极主动冲在前面,玻尔只得被动防守见招拆招,却总能频频化险为夷,反客为主。在与爱因斯坦的一次次交锋中,玻尔也一步步走向了神坛。

中间的精彩故事,省略一万字……

打到1933年第七届索尔维会议,虽然爱因斯坦的攻势每次都极其刁钻,玻尔却总能提心吊胆、皱眉淌汗地惊险避过。在爱因斯坦暴风骤雨般的攻势中,玻尔却变得如量子一样鬼魅而不确定。爱因斯坦本想一击毙命,可惜每一击却都落了空。

毕竟学术攻防,不是“唯快不破”的武术打斗。时间在学术攻防中没有意义,即便是千年老妖的理论,经不起实验验证,也是说超度就超度。不过像玻尔和爱因斯坦这样两位大神过招,哪需要什么实战,都是意境之争,在物理学界称为“思想实验”。在他们最后一次交手中,爱因斯坦憋了一个大招,不过他并没有用在索尔维会议上。因为爱因斯坦可算搞明白了,这个会议就是他的克星,心急也吃不了热豆腐。每次在索尔维会议上,与玻尔交手最后都是他吃亏。

于是在这次会议上,爱因斯坦沉默不语、一言不发,往届弥漫的硝烟一扫而空。玻尔还以为爱因斯坦终于默认了他的理论,庆幸自己终于获得了大神的认可,心里美滋滋地,还暗暗发誓:以后一定更加刻苦专研学术,创造更多无上妙法,以回馈这些年爱因斯坦大神的不吝赐教。而往届看惯神仙打架的吃瓜群英反而感受到了一股久违的空虚无力,如亢奋后的虚脱。

然而,谁都没想到,一颗重磅炸弹即将奇袭整个物理学界。

EPR启示:虚无的力量,也能撼动现实。

第七届索尔维会后,爱因斯坦没忙着做学问,而是忙着搬家。

由于希特勒上台,反战的爱因斯坦在德国待不住了,收拾好道场,裹上铺盖卷就溜了。后来到了美国普利斯顿落脚,邂逅了两位道友——波多斯基和罗森,爱因斯坦把他驳斥量子力学的构思讲了一讲,大家一拍即合,1935年5月一篇为名《量子力学对物理实在性的描述是完备的吗?》的重磅论文横空出世,其中以三位作者首字母命名的EPR佯谬,把物理学界炸了个底朝天。

纠缠的粒子为什么可以超距感应?关于量子纠缠的物理史话

EPR佯谬描述的就是“量子纠缠”现象,一种从未被世人观察到,仅以当时刚构建的量子力学基础阐述,经爱因斯坦大脑疯狂运算81个脑回路后,炮制出来的一个看似虚无缥缈毫无真实感可言的幽灵,以佯谬的形式诞生于世。

简单来说,根据量子力学的描述,可以存在这样一对神奇的粒子,即诞生时具有一定关系,但分开后完全失去联系的两个粒子,对其中一个粒子测量就可以瞬间影响另一个粒子的属性,即便这两个粒子相隔天涯海角。也就是说,一个粒子竟然可以以超光速影响另一个粒子!!!

对于已经认可了相对论的物理学界来说,这绝对是不可能。玻尔看到后大惊失色,仿佛看见了爱因斯坦描述的超距幽灵盯上了自己,脊背阵阵发凉。三个月里,玻尔如被恶灵催命一般地拼命计算,以求像以前一样找到爱因斯坦的推论错误,来证明这个幽灵并不存在,但这次爱因斯坦的所有论述毫无破绽。

最终,玻尔以接纳的心态,在幽灵的凝视下与它达成了和解,并认可它的存在。同时,玻尔也发表了一篇名为《量子力学对物理实在性的描述是完备的吗?》的论文。

一样的标题,一样的论述,唯一不一样的是爱因斯坦对“量子纠缠存在与否”的回答是“NO”,而玻尔的回答是“YES”。

一场史诗大戏就此落幕,因为当时的科研实力完全无法对爱因斯坦与玻尔的最终答案做出评判,而两位大神也都没等到30多年后的纠缠实验就与世长辞。

关于量子纠缠的实验,再次继续省略一万字……

虽然,爱因斯坦不赞同量子力学的不确定性描述,但在爱因斯坦与玻尔的三大论战中,量子力学的思想反而得到了锤炼,而更加发光发热。爱因斯坦与玻尔这对学术上的冤家也保持了终生的友谊。

纠缠的粒子为什么可以超距感应?关于量子纠缠的物理史话

关于量子纠缠的不确定理解。

我们现在知道“量子纠缠”现象确实存在。爱因斯坦眼中的鬼魅成了客观世界的基石。

事实上,早期所有纠缠实验的初衷都是为了否认“量子纠缠”的存在,然而大自然并不太顾忌人类的感受,无情地嘲讽了人类的无知。现在物理学界已明确量子纠缠是一种纯粹发生于微观世界的现象,源于量子系统的不可分割性,即当几个粒子彼此相互作用后,粒子们所拥有的特性可能纠缠在一起成为一个整体,各个粒子的性质再也无法被单独描述,只能描述整体系统的性质。

为什么会这样?没有公认的回答。如果说,叠加态是一个粒子拥有多个对立物理量,纠缠态就是多个粒子共用一个物理量。但不管是一个或多个粒子,以及各种物理量,其实都脱胎于我们经典认知形成的概念,这本身或许就妨碍了我们对量子体系的理解。

“量子纠缠”这个命名就是一种经典认知,因为我们先决地认为是两个或多个粒子产生了联系。为什么它不能就是一个,只是看起来是两个或多个呢?有没可能,我们在干扰一个粒子时,并没有影响另一个粒子,只是我们同时干扰了它——“两个粒子”。我们以整体性来解释这一现象,潜台词其实是默认纠缠的粒子是多个的“它们”和不是一个的“它”。

怎么来理解?

在弦论的高维空间概念下,打破了三维空间的理解限制,量子纠缠成了粒子在高维空间的三维投影,甚至量子的种种奇异现象都可以用弦论的高维空间思想来解答,不过这种解答无法实验验证,科学大牛们对它是又爱又恨。爱它的人,觉得它能大大的简化已知的物理定律,触及物理学家心中的简洁之美;恨它的人,觉得这种解释太过轻浮,为了解释一些无法理解的东西,就搬出了另一些无法验证的东西。

科学理论无法实验检验,就无法发展。高维空间理论逐渐沦为物理学研究的禁忌,对源于弦论的超弦理论、M理论的研究不仅被无法实验所阻,而且超强数学能力的要求也让无数物理学家望而却步。另外,弦论研究的量子领域(高维空间)卷缩在普朗克尺度之下,所以对宏观现实没有多大影响,这也让它变得用处不大。迫于应用科学的强大与经济效益,搞理论科学的更容易被动摇。

弦论属于一种以高维空间思想去触及宇宙本质的超前理论,它也许彰显了人类不自量力的狂妄,也许象征了人类对探索宇宙之谜的那道希望之光。

在弦论的框架下,量子纠缠的粒子之所以能忽视距离而相互感应,是因为三维空间中的距离对于高维空间来说,并不存在。我们看见的只是我们能看见的两个或多个粒子,在高维空间中,那就只是一个粒子而已。

而除了弦论,还没有一个理论能给出一个逻辑自洽的解释。不过量子纠缠不传输任何信息,已成为了物理学界的共识,所以它也并未违背相对论关于信息无法突破超光速的限制。

关于量子效应,你困惑吗?或许终有一天我们能弄明白,然而大自然永远不会将它所有的秘密一次性暴露在我们面前,我们或许永远也无法真正读懂宇宙。

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