量子纠缠,科学中“最诡异”的现象,爱因斯坦都有错的时候!

原标题:量子纠缠,科学中“最诡异”的现象,爱因斯坦都有错的时候!

一提爱因斯坦,肯定少不了相对论。但其实他对现代物理学另一个重要基本支柱— —量子力学(Quantum Mechanics)的奠基人之一,后来拿到诺贝尔奖也是因为对量子力学光电效应的研究。不过尽管如此,爱因斯坦一生都对量子力学抱有一定的怀疑,甚至是反对。

为什么会如此?其中一个原因是量子纠缠现象令爱因斯坦“很不舒服”。

简单来说什么是量子纠缠?

任何时候讨论量子力学,事情都会变得复杂,量子纠缠也不例外。

首先要了解的是,粒子在被观察到之前都以“叠加”的状态存在。在一个非常常见的演示中,在量子计算机中用作量子比特的量子粒子在被观察到之前同时为0 和 1,因此它们似乎随机变为 0 或 1。

现在,简单来说,量子纠缠是当两个粒子以这样的方式产生或相互作用时,这些粒子的关键特性不能相互独立地描述。

例如,如果两个光子产生并纠缠在一起,一个粒子可能在一个轴上具有顺时针自旋,因此另一个粒子必然在同一轴上具有逆时针自旋。就其本身而言,这并不是那么激进。但是因为量子力学中的粒子也可以被描述为波函数,所以测量粒子自旋的行为被称为“折叠”它的波函数以产生可测量的特性(比如从 0 和 1 变为仅 0 或仅1)。

然而,当你对纠缠的粒子这样做时,我们就得到了量子纠缠中真正令人难以置信的部分。当你测量一个纠缠粒子以确定它沿某个轴的自旋并坍缩它的波函数时,另一个粒子也会坍缩以产生可测量的自旋特性,即使你没有观察到另一个粒子。

如果一对纠缠粒子既是0 又是 1,并且您将一个粒子测量为 0,则另一个纠缠粒子会自动塌缩以产生 1,完全靠它自己,而无需与观察者进行任何交互。

这似乎是 瞬间发生 的,无论它们彼此之间的距离如何,这最初导致了一个自相矛盾的结论,即有关被测粒子自旋的信息以某种方式传递给其纠缠伙伴的速度甚至比光速还要快。

打个比分:想象你是一个光子,一束光。你是一个微小的能量,独自穿越宇宙。但是你有一个双胞胎,另一个光子,你从出生那天起就与它密切相关。无论你们之间的距离有多远,无论是实验室长凳的宽度还是宇宙的宽度,你们都是彼此的镜像。你的双胞胎发生的任何事情都会立即影响你,反之亦然。

谁发现了量子纠缠?

量子纠缠最早是由爱因斯坦和他的同事鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森在 1935 年发表在《物理评论》杂志上的一篇 题为“物理现实的量子力学描述是否被认为是完整的”的论文中提出的。在其中,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森讨论了粒子之间特别强的量子态相关性可以导致它们具有单一统一的量子态。

他们还确定,这种统一状态可以导致测量一个强相关粒子对另一个强相关粒子有直接影响,而不考虑两个粒子之间的距离。

爱因斯坦-波多尔斯基-罗森论文的目的并不是宣布量子纠缠的“发现”,而是描述这种已被观察和讨论过的现象,并认为量子力学中一定存在一个缺失的组成部分那还没有被发现。

由于他们描述的强相关现象违反了爱因斯坦相对论中规定的定律并且似乎是自相矛盾的,因此该论文认为物理学家肯定还缺少其他东西,可以将量子领域适当地置于相对论的保护伞之下。近一个世纪后,那个“其他东西”仍然没有被发现。

最早使用“纠缠”一词来描述这种现象的是欧文·薛定谔,他认为它是量子力学最基本的特征之一,并认为它不是一个很快就会在相对论下解开的谜团,而是一个完全脱离经典物理学。

爱因斯坦对量子纠缠说了什么?

众所周知,爱因斯坦将量子纠缠描述为“幽灵般的超距作用”,实际上将量子纠缠视为一个数学悖论,这是数学逻辑中固有的矛盾,表明所提出的论点一定是错误的。

在后来被称为爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论(EPR)的情况下,争论的焦点是量子力学的基本规则是完全已知的,广义相对论是有效的。如果广义相对论是有效的,那么宇宙中的任何事物都不能以每秒 186,000 英里的光速运行。

如果量子力学被完全理解,那么支配粒子之间强相关性的规则就完整了,我们的观察告诉了我们需要知道的一切。

由于量子粒子是“宇宙的”,它们应该像其他一切事物一样受光速的控制,但量子纠缠不仅似乎在理论上可以在宇宙两端的粒子之间即时共享信息。更奇怪的是,这些信息甚至可能在时间中来回穿梭。随着时间的推移,量子纠缠将对因果关系的本质产生各种影响,这几乎是物理学的基本定律。反过来也行不通,结果不能先于原因。

在爱因斯坦的心目中,宇宙最终必须服从从根本上确定的物理定律。而两个粒子间好像有瞬间相互作用力,而且还是无论隔多远都存在,完全“违反”了他一直相信与毕生的杰作——相对论中对3+1时空结构的前设。

在这点上,爱因斯坦错了。

爱因斯坦去世十年后,物理学家贝尔(John Bell)表明,量子理论不能与爱因斯坦的两个原理兼容。他概述了一个实验,可以测试自然是否遵循量子力学或满足局部现实主义的理论。Aspect 和其他人的实验现在证明了量子理论是正确的。简单来说,爱因斯坦坚持的只是一个客观现实,在宇宙另一端发生的事情不能立即影响这里的某些事情,但大自然比他想象的要怪异。

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