量子力学作为物理学的前沿领域,其深奥之处在于人类对它的本质与基本法则的了解尚浅。简单来说,科学家们见证了量子领域的奇异现象,尽管它们违反了常规的物理定律,我们却无法充分解释它们为何如此。
例如,量子纠缠现象表明,纠缠的粒子间似乎存在即时通讯,速度甚至超越光速万倍。然而在我们的宏观宇宙中,信息与物体的传递速度受到光速的限制,这是相对论的核心观点之一。那么,纠缠粒子间这种明显的“超光速”现象,是否颠覆了爱因斯坦的理论呢?
让我们探究什么是量子纠缠。在物理学中,它被定义为:当多个粒子相互作用后,它们原本的特性融合为整体性质,使得无法独立描述单个粒子的特性,而只能描述整个系统的性质。这一现象被称为量子纠缠。
量子纠缠的概念源自于爱因斯坦等物理学家对不确定性原理的批评。他们对于哥本哈根学派提出的原理表示质疑,于是在1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森三人共同发表了论文《论量子力学描述的不完备性》,文中提及了量子纠缠。
在微观层面,粒子相互作用后往往会形成纠缠态。例如,一个系统在衰变时释放出电子和正电子,它们会分离并呈现相反的自旋方向。在此之前,我们无法确定电子和正电子的自旋方向,只知道它们是相反的。
哥本哈根学派解释说,在我们观测之前,电子和正电子的自旋方向是未定的。这里所说的不确定性并非“未知”,而是指它们处于“叠加态”,即自旋方向同时向上和向下的状态。
当我们试图观测电子的“叠加态”时,电子会瞬间从“向上和向下”的叠加态塌缩到“向上或向下”的唯一状态。与此同时,正电子的自旋方向也会立即确定,并与电子的方向相反。
这就是所谓的“观测导致波函数塌缩”。值得注意的是,波函数的塌缩实际上是一个假设,也可以被视作一条公理。科学家们通过观测结果反向推断过程,并用这一假设来定义最终状态。
至于为何观测会导致波函数的塌缩,科学家们尚不清楚,如同他们对量子力学的认知一样。我们仅仅知道观测确实会导致塌缩,但并不理解其中的原因。
经典物理学的支持者如爱因斯坦坚决反对哥本哈根学派的解释,他们认为世界应该是可描述、可预测的。
爱因斯坦用一副手套来类比量子纠缠:两个手套分别装在密封的盒子中,无论距离多远,打开其中一个发现是左手套,另一个盒子里必然是右手套。
按照爱因斯坦的解释,手套的状态是确定的,只不过我们不知道而已,无论观测与否,左手套始终是左手套,与观测无关。
但根据哥本哈根学派的解释,盒子中的手套处于“左手套和右手套”的叠加状态。打开盒子进行观测的瞬间,手套会从叠加态塌缩到唯一的确定状态,即要么是左手套,要么是右手套。
这就像两只手套之间有某种“默契”,瞬间告知对方塌缩的状态。这种“默契”违背了我们的日常经验。
爱因斯坦将这种“默契”称为“鬼魅般的超距作用”,它似乎超越了光速,但这与相对论中光速是速度极限的观点相悖。这也是爱因斯坦坚决反对不确定性原理和叠加态的主要原因。
薛定谔同样支持爱因斯坦的观点,并通过“薛定谔的猫”这一思想实验来质疑和讽刺哥本哈根学派的理论。
一个核心的问题是,量子纠缠的速度为何如此之快?它真的违反了相对论吗?
首先,量子纠缠现象是确实存在的,并且已经在实际应用中。只不过爱因斯坦和以波尔为首的哥本哈根学派对其解释有所不同。
严格来说,量子纠缠并不涉及速度,因为它发生在瞬间。更深入地说,纠缠的粒子实际上等同于一个“粒子”,或者我们可以通俗地理解为,纠缠后的多个粒子合并为一个“大粒子”,因此我们只能描述整体属性。这在量子纠缠的定义中已有明确说明。
进一步而言,尽管量子纠缠的速度超越了光速,但它并没有传递任何信息,因此并未违反相对论。
我们常听说的量子通讯,其实并不是通过量子纠缠进行超光速的信息传递,它更多地是用于信息加密,确保信息安全,理论上无法破解。
在现实中,我们给文件和信息加密的任何密码,都是人为设计的,虽然看似杂乱无章,但仍有规律。理论上,用电脑进行破解总能破解这些密码。
但利用量子纠缠给信息加密是不可破解的,因为密码是完全随机生成的,甚至在观测之前连自己都不知道密码是多少。
尽管不知道密码,但信息发送者仍然可以向接收者发送一串密钥,然后将加密的信息传输给接收者。这就是“量子密钥分发”,它并不是超光速传递信息,而是一种加密方法。
而且,量子纠缠过程中的任何观测行为都会导致波函数塌缩,使纠缠过程停止。因此,如果有人试图窃取信息,必须进行观测,这样就会引起信息发送者的注意,提示有人试图窃取信息。
总之,量子纠缠的速度远超光速,但并未传递任何信息,也不支持人类实现“瞬移”。
然而,在某种意义上,我们确实可以利用量子纠缠现象实现“瞬移”,但这并非前后矛盾。首先,需要将人体的所有信息传递到想要瞬移的星球,这仍然是传统的信息传递,以光速进行。然后利用量子纠缠现象,在目标星球上制造与人体纠缠的微观粒子,再进行重组,从而实现“瞬移”。