解读量子纠缠,其本质到底是什么?

路昭观看科技 2024-12-15 01:55:21

对于物理界的高手而言,量子纠缠的内在机制同样显得扑朔迷离,我们这些普普通通的旁观者更是摸不着头脑。这正是为何顶尖物理学家会调侃:你若以为你弄明白了量子力学,那恰恰表明你还差得远呢!

难道这就完了吗?

并非如此,这不是我解读科学的方式。尽管物理学界的专家们对量子纠缠的实质是什么并不清楚,但他们掌握的知识远超我们,并且他们能够基于现有的理论和发现,对量子纠缠的内在机制进行推测。

那什么是量子纠缠呢?

根据物理学的解释,当若干粒子相互影响后,它们原先的特性消失,形成一个整体特性,无法单独描述单个粒子的特性,只能描述整个系统的特性。

量子纠缠的奇特性在于,不管它们相隔多远,纠缠的粒子似乎能够瞬间感知到彼此,这种交互作用的速度远超光速。而这种奇异现象在物理学界曾引起激烈讨论,大致分为两大阵营。

一派是爱因斯坦所代表的经典物理派,他们认为量子力学中的异象,比如量子纠缠所展现的“鬼魅般的超距作用”,这只是因为量子力学本身尚未完善,必定隐藏了某些变量尚未发现,只要找到这些隐藏变量,就能解释那些异象。爱因斯坦的追随者包括著名的薛定谔等。

另一派是哥本哈根学派,以玻尔、玻恩、海森堡等为代表,他们提出的理论被称为“哥本哈根诠释”,其核心是不确定性原理、叠加态、波函数坍缩等。而量子纠缠仅仅是不确定性和叠加态的一种体现,是量子世界的基本属性。

两派长久争论,直至玻尔和爱因斯坦等人去世,也没有得出定论。

二十世纪六十年代,物理学家约翰·贝尔提出了一个逻辑严密的数学不等式,即贝尔不等式。简而言之,若该不等式成立,爱因斯坦一方便是正确的,而哥本哈根学派则是错误的。

然而,实验结果表明贝尔不等式并不成立,科学家们通过反复实验确认了这一点。贝尔不等式的结论是:爱因斯坦错了,他所提出的隐变量并不存在,哥本哈根学派最终胜出。

如今,物理学家们已论证了量子世界的异象,比如量子纠缠、量子隧穿效应、波函数坍缩等的确存在,尽管我们不清楚其存在的原因。但这并不妨碍科学家们利用这些量子力学的异象造福人类。

下面,我将分享一些物理学家对量子纠缠本质的推测。

就像我们刚才说的,纠缠中的粒子不论距离多远,都能够瞬间感知彼此。例如,当我们测量一个粒子的自旋方向为上时,在测量的瞬间,另一个粒子的自旋方向会立即坍缩为下,这一过程几乎是瞬时的,无需任何时间。

科学家们通过实验验证了这一点,例如在2016年,我国的墨子号量子卫星将一对纠缠的光子分开达1200公里,发现它们依然保持纠缠状态。当然,我们无法在无限远的距离验证纠缠粒子的性质,只能从理论上进行分析。

如何理解量子纠缠的这种特性呢?

我们可以首先排除意识感应的解释,尽管许多人对此感兴趣,但这超出了科学认知的范围,主流科学界认为量子纠缠是微观世界的基本属性。

可以这样来通俗理解:纠缠中的粒子好比一副手套,无论它们相隔多远,只要我们确定了一只手套的状态,如左手套,那么另一只手套的状态会立即确定为右手套,这个过程没有传递任何信息,不需要任何人告诉我们另一只手套是右手套。

这里只是类比,实际上这种例子并不完全准确,它仅仅是帮助我们理解。因为手套本身的状态实际上是确定的,只是我们不知道而已。而纠缠中的粒子状态实际上是未确定的,如果手套代表微观粒子,就相当于每一只手套都处于“既是左手套又是右手套”的叠加状态!

我们的观测行为会使得手套从叠加态坍缩到唯一的确定状态,如果坍缩为左手套,那么另一只手套会立即坍缩为右手套。

同时,物理学家们还提出了“全同粒子”的概念来解释量子纠缠现象。

何为“全同粒子”?

全同粒子是指具有完全相同内在属性的粒子,如电子、质子、中子、光子等,它们可能是基本粒子,也可能是由基本粒子构成的复合粒子,比如阿尔法粒子。

纠缠中的粒子就像是“全同粒子”,换句话说,它们仍然是一个整体,而不是两个独立的粒子。正因为如此,纠缠中的两个粒子无法单独描述单个粒子的特性,只能描述整个系统的特性。

利用量子场论的概念来理解,粒子的本质实际上是波,简单来说就是“能量包”。纠缠中的两个或多个粒子只是波的某种表现形式。理论上,波可以延伸到无限远的地方,任何形式的观测都会导致波发生坍缩,成为确定状态,也就是我们眼中的粒子。

当然,上述解释仅仅是基于现有理论的猜测,并没有确凿的实验证据支持。还有更激进的假设,认为量子纠缠现象仅仅是高维度在低维度的投影造成的,这种想法十分大胆,更难通过实验验证,但我们应该了解这些,以拓宽我们的思维视野。

最后,许多人对量子通信存在误解,认为量子通信是利用量子纠缠现象进行超光速传递信息,但事实并非如此。

任何信息传递都不可能超过光速,这是毫无疑问的。所谓的量子通信,其主要目的并非传递信息,而是利用量子纠缠现象进行量子密钥分发,换言之,就是给信息加密,保证信息安全。

传统加密方式,不管多么复杂,理论上都可以破解。但利用量子纠缠现象进行加密,则不存在破解的可能。因为量子状态本身是不确定的,完全随机的,而我们生活中的随机行为实际上都是伪随机,有规律可循。但在量子世界,一切都是真正的随机,没有规律。

同时,任何人如果试图窃取信息,就必须进行某种形式的观测,任何观测行为都会导致量子发生坍缩,量子状态的变化一定会引起信息发送者和接收者的注意,使得窃取行为无法得逞。

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