量子力學雖然已經發展了100多年,但仍然是物理學中的前沿理論,主要原因是人類根本沒有理解量子力學的本質和底層邏輯。
說白了,科學家知道量子世界裡確實存在奇怪的現象,但是他們不知道這些奇怪的現象為什麼會存在,最根本的是,這些奇怪的現象似乎違反了我們的巨集觀物理定律。
比如量子糾纏現象,科學家發現量子糾纏的速度極快,甚至可以說是瞬時的,速度是光速的10000倍以上。
但是在我們的巨集觀世界中,有乙個速度極限,那就是光速,任何物體或資訊都不可能以超過光速的速度傳輸,這在愛因斯坦的狹義相對論中早就被提及了。 那麼,為什麼量子糾纏如此之快,以至於它可以“比光速還快”地傳輸呢? 它是否違反了愛因斯坦的相對論?
首先,讓我們來看看什麼是量子糾纏。
物理學是這樣定義的,當兩個或多個粒子相互作用時,單個粒子的性質被合成為乙個整體,然後單個粒子的性質就不能單獨描述,而只能描述整個系統的性質,這種現象稱為量子糾纏。
量子糾纏的概念是在愛因斯坦等人對不確定性原理的質疑和批判的基礎上提出的,他們對哥本哈根學派提出的不確定性原理非常不滿。 於是在1935年,愛因斯坦、波多爾斯基和羅森聯合發表了《論量子力學描述的不完備性》,其中提到了量子糾纏。
在微觀世界中,當某些粒子相互作用時,就會發生糾纏。 例如,當乙個物體衰變並釋放電子和正電子時,原始系統會分離成兩個獨立的系統,即電子和正電子,它們的方向相反,淨力為零,自旋相反。
在觀測之前,我們不知道電子和正電子的自旋方向,只知道兩者的自旋方向相反。
根據哥本哈根學派的解釋,電子和正電子的自旋方向其實在我們觀察之前是不確定的,注意這裡的不確定性並不是指“不知道”,而是完全不確定,說白了,它處於“疊加態”,自旋方向同時朝上和朝下。
當我們想看看電子的這種“疊加”是什麼時,當我們觀察到它的那一刻,電子就會從“上下”的自旋狀態坍縮到“上下”的單一自旋狀態。 同時,正電子的自旋方向也是瞬時確定的,與電子的自旋方向相反。
這就是我們通常所說的“觀察導致波函式坍縮的行為”。 這裡需要強調的是,波函式的坍縮實際上是乙個假設,也可以被認為是乙個公理。 說白了,科學家只是根據觀察結果推斷出之前的過程,並用乙個假設來定義最終結果,這就是波函式坍縮。
至於為什麼觀測行為會導致“波函式坍縮”,對不起,科學家不知道這個問題,就像對量子力學的理解水平一樣,科學家只知道觀測確實會導致波函式坍縮,因為這就是結果,但他們不知道為什麼。
然而,愛因斯坦和其他經典物理學的堅定支持者堅決反對哥本哈根學派的解釋,認為世界不應該是不確定的,世界是可描述的和描述的。
愛因斯坦用兩隻手套之間的關係來解釋量子糾纏。 假設有一副手套,每副手套都裝在兩個密封的盒子裡。 無論兩個盒子相距多遠,當我們開啟其中乙個盒子,看到是左邊的手套時,我們立即知道另乙個盒子裡裝的是右邊的手套。
這兩隻手套相當於一種“糾纏狀態”,按照愛因斯坦的解釋,手套的狀態是確定的,但是我們不知道,我們是否開啟盒子觀察,盒子應該是左手套還是左手套,與我們的觀察無關。
根據哥本哈根學派的解釋,盒子是左手套還是右手蓋是不確定的,不僅不確定,而且處於“疊加”狀態。 換言之,盒子裡的手套總是處於“左手套和右手套”的疊加狀態,當我們開啟盒子觀察的那一刻,手套就從疊加狀態坍塌到唯一確定的狀態:要麼是左手套,要麼是右手套。
就好像兩隻手套在勾結,他們能瞬間告訴對方:我現在塌陷到左手套裡,你感覺手套塌陷在右手套裡!
這與我們的日常生活經驗背道而馳。
別的不說,光是兩隻手套“勾結”的方式和過程,就足以讓我們大吃一驚。 而這種被愛因斯坦稱為“幽靈般的傳送”的“神秘”勾結,理論上完全超過了光速。 但在愛因斯坦的相對論體系下,光速是所有物體的速度極限。 這也是愛因斯坦堅定地將不確定性和疊加的哥本哈根學派定在範圍的主要原因。
薛丁格也強烈支援愛因斯坦關於不確定性和疊加態是荒謬的觀點,甚至提出了乙個著名的思想實驗來質疑和諷刺哥本哈根學派,這個思想實驗就是“薛丁格的貓”,之前已經詳細描述過了,這裡就不提了。
這裡最大的問題是,為什麼量子糾纏如此之快? 這是否違反了相對論?
首先,我們需要確定量子糾纏現象確實存在,並且早已應用於人類社會。 只不過,以愛因斯坦和玻爾為首的哥本哈根學派對量子糾纏有著不同的解釋。
其實嚴格來說,量子糾纏談不上速度,因為整個過程都是瞬間完成的。 更深入地說,量子糾纏中的兩個或多個粒子實際上相當於乙個“粒子”。 或者也可以這樣理解,當兩個或兩個以上的粒子糾纏在一起時,它們並不是原來的粒子,而是合併成乙個“大粒子”,這時候,當然無法描述兩個粒子之間的關係,只能描述整體屬性。 這在量子糾纏的定義中也有明確的說明。
退一步說,量子糾纏確實比光速快得多,但它並不違反愛因斯坦的相對論,因為整個過程不會傳輸任何資訊。
我們通常聽到的量子通訊,當然不是通過量子糾纏來傳輸比光速更快的資訊,而是更多的是加密資訊,使其更加安全,這在理論上是不可能破解的。
我們都知道,在現實中,我們應用於檔案資訊的任何密碼,其實都是人工編造的,看似混亂不規則,但實際上還是有規律的。 從理論上講,只要我們用計算機暴力破解,無論密碼系統有多強大,最終都能破解。
而利用量子糾纏現象來加密資訊是不可能破解的。 因為密碼本身完全是隨機生成的,在觀察之前你甚至不知道密碼是什麼,怎麼可能被破解呢?
雖然不知道密碼是什麼,但傳送訊息的人可以向收件人傳送一串金鑰,然後將加密的訊息傳輸給收件人。 事實上,這被稱為“量子金鑰分發”,它不是以超過光速的速度傳輸資訊,而是對其進行加密。
並且由於量子糾纏過程,任何觀察到的行為都會引起“波函式坍縮”,從而停止糾纏過程。 因此,如果有人試圖竊取資訊,他們必須進行觀察,當然觀察不僅僅是用眼睛看。 觀測導致量子糾纏的暫停,勢必會引起訊息傳送者的注意:有人試圖竊取資訊!
總之,量子糾纏確實遠比光速快,但是它不傳輸任何資訊,人類不可能實現“隱形傳態”。
當然,在某種程度上,我們確實可以利用量子糾纏現象來實現“隱形傳態”,我這麼說並無矛盾,但是我們需要先將人體的所有資訊傳送到我們想要傳送的某個星球上,這個過程還是傳統的資訊傳輸,或者說是光速。 然後,利用量子糾纏現象,在那個星球上與人體形成糾纏態的微觀粒子被創造出來,然後重新組合,就可以實現“隱形傳態”了!
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