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究竟什么是量子纠缠?

2020-06-08  flyk0tcfb...

本文参加小编 #科学了不起# 系列征文赛。

随着我国经济文化的飞速发展,我们的科学成果越来越多地涌现出来,好多曾经象牙塔中的专业名词流入了寻常百姓的日常聊天当中。墨子号实验卫星的上天,让量子纠缠一词迅速传播到大街小巷,然而对于这样一个专业的词汇,很多人并不明了其中的物理含义,老郭想利用此篇文章,给大家科普一下,什么是量子纠缠?

一、宏观世界与微观世界

所谓的宏观世界就是我们看得见、摸得着的世界,这个世界是一个在物理学上中等尺度、中等速度、中等温度……总之,物理量的值是在一个恰当的中间范围的世界。而微观世界是指我们看不到的分子、原子、电子等等微小粒子层面的世界。

随着物理学的发展,当科学家们深入到了微观世界之后,发现这个世界的规则与我们宏观世界的规则不一样。在微观世界中,一切瞬息万变,微观粒子的状态只有一个可能的、概率的结果。

所以,对于宏观世界和微观世界就总结出了两种不同的方法:确定性方法与概率统计方法。实践证明这两种方法都是有效的,只是它们适用的领域不同。只不过,随着薛定谔方程将概率引入了量子力学之后,经典物理学建立起来的决定论大厦轰然崩塌。

二、什么是波函数?

在经典物理学中,质点的状态可以用运动方程来描述,在任意时刻质点的位置和动量都是确定的。由于微观粒子具有波粒二象性的特点,因此经典物理的方程不能用于描述微观粒子的运动。量子力学中,为了定量描述微观粒子的状态,引入了波函数。

所谓的波函数,用Ψ(音:普西)表示,是一个坐标和时间的复函数,其绝对值(模)的平方对应于微观粒子在空间某处出现的概率密度。波函数即不是粒子形状的描述也不是粒子轨道的描述,这是很多科普作者常常弄错的地方。波函数的出现代表着量子力学彻底摆脱了经典物理的束缚,成为了一门独立的学科。

三、叠加态原理

如果Ψ1和Ψ2是体系的可能状态,那么它们的线性叠加Ψ=C1Ψ1+C2Ψ2(C1、C2是复数)也是体系的一个可能状态,并且这种叠加可以推广到很多态。当粒子处于态Ψ1和Ψ2的线性叠加态Ψ时,粒子是即处在态Ψ1,又处在态Ψ2。

如果我们不关心这段话的量子力学背景,这种情况在经典世界中是经常发生的,比如两个水波的叠加,水波中某个点处的水其实是同时处于两种状态的叠加之中。

态的叠加当然不仅限于两个波之间,也可以是无限制多个波的叠加。在量子力学中,叠加态意味着,一个微观粒子可以同时处于多种状态。这意味着,它可以既在这里,又在那里,同时处在波函数允许的所有位置上,直到我们进行具体测量的时候,叠加态突然结束,即波函数塌缩到一个特定的值,粒子就出现在对应的位置上。

四、量子纠缠

在微观世界里,如果我们把一个微观系统(可以是一个原子,或者是一束激光等等)用某种办法把它们“切割”开分成两个更小的粒子,则这两个小粒子之间就会具有“心灵感应”的特点。即使它们之间相距再遥远都会彼此感应到对方的状态,并且是瞬间完成。

以光子的纠缠为例,一束紫外激光被发射到一种特殊的晶体。接着,该晶体会释放一对偏振方向相反的纠缠光子。如果我们发现处于甲地的光子偏振方向水平,则我们就知道另外一个光子的偏振方向是垂直的。在没有测量它们之前,两个光子处于叠加态,每种状态都有可能发生,无法确定哪种状态会发生。

五、量子纠缠没有违背相对论

量子纠缠现象是一种超距作用。墨子号已经向我们证明,即使是在500公里之外,两个光子之间的量子纠缠仍然存在。爱因斯坦不理解量子纠缠,但是越来越多的实验已经证明,量子纠缠是微观世界最普遍的一种现象。

物理学家们的实验表明,量子纠缠的感应速度的下限是光速的1万倍。但这并不违背相对论中的光速极限原理,这是因为,相对论中的光速极限指的是一个有质量的物体不能通过加速的方式达到光速。而量子纠缠则完全不同,这种速度是感应速度,粒子的运动并没有超过光速,不需要把粒子加速到光速以上。

目前,物理学家们并不清楚量子纠缠背后的机制到底是什么,他们只知道量子纠缠是一种微观粒子中客观存在的现象。

结束语

量子纠缠只是量子力学为我们揭示的众多微观物理现象中的一个,但仅仅是这一个现象,就已经为我们打开了一扇通往未来的大门,比如量子隐形传态、量子计算等等。我们在期待着科学家造出更强大的计算机的同时,更期待着能揭开更多的微观世界的奥秘。今天的量子力学,不是物理学的终结,而是人类认识宇宙,认识自身的一个全新起点。

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