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量子纠缠的速度,究竟超过光速多少倍?

 楚科奇0118 2021-05-12

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     在网络上搜索关于量子力学的小视频,发现一些伪科普言之凿凿地说:量子纠缠的速度超过了光速的一万倍,云云。

     量子纠缠,是指当几个微观粒子在相互作用后,便发生了关联,它们所拥有的特性已经综合成为一个整体,再也无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质。

     量子纠缠是一种纯粹发生于微观量子世界的现象,在宏观经典世界,不存在类似的现象。

     量子纠缠现象存在着一个难以理解的问题——瞬时超距作用。

     牛顿的万有引力定律也存在着这个恼人的问题。万有引力定律的公式图片里面,没有时间T这个参数,意味着引力的发生和传播不需要时间,或者说引力是一种瞬时超距作用。假设太阳突然消失,距离它最近的水星和距离它最远的冥王星,可以同时“感知”。这个问题令牛顿如鲠在喉,开始他还认真思考过如何解决,在百思不得其解之后,干脆将其归结为“上帝的设计”。把问题甩锅给上帝,也不失为解决问题的一种技巧。后来,爱因斯坦创立了广义相对论,认为引力的实质,是物质质量引起空间弯曲的一种效应,引力的传播速度为光速,从而解决了万有引力定律瞬时超距作用的头疼问题。


     量子纠缠的瞬时超距作用,还得从量子纠缠的发现过程开始讲起。

     二十世纪二、三十年代,可以说是量子力学发展的黄金时代,研究量子力学的科学家群英荟萃,众多年轻科学家脱颖而出,量子力学体系基本建成。爱因斯坦因为引进普朗克的能量子假说,成功地解释了光电效应,成为量子论的奠基人之一。

     随着量子论的深入发展,各种奇幻的量子现象被发现,与之相应的各种奇特理论解释开始百家争鸣,以波尔为核心的哥本哈根解释更是一枝独秀。

     这时候,爱因斯坦对新量子论的那些稀奇古怪的解释十分不满。他认为,人们之所以觉得量子现象非常奇异而难以理解,是因为还有许多隐藏的变量没有被发现而已。换句话说,现在的量子理论是不完备的理论。

     1935年,爱因斯坦联合波多尔斯基和罗森提出了一个假想实验,目的就是为了证明新量子论的不完备性,或者说是荒谬性。这个著名的假想实验,后来被称为EPR悖论(E:爱因斯坦、P:波多尔斯基和R:罗森,EPR 是这三位物理学家姓氏的首字母缩写)。

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EPR假想实验的具体设计步骤如下:

     假设有一个零自旋中性π介子,自发衰变成一个电子和一个正电子,并各自朝着相反方向移动。爱丽丝在地球上,负责观测电子;鲍勃在月球上,负责观测正电子。

     咋一看,这个假想实验并没有什么特别之处。

     在不做观测的情况下,电子的自旋状态,有上旋和下旋两种可能,两种状况叠加在一起,每一种状况都有可能出现;正电子的自旋状态,也有上旋和下旋两种可能,两种状况叠加在一起,每一种状况都有可能出现。

     问题就出在观测事件发生之后。

     如果爱丽丝在地球上对电子做了观测,电子自旋的叠加态就会坍缩,要么处于确定的上旋状态,要么处于确定的下旋状态。同样,如果鲍勃在月球上也对正电子做了观测,正电子自旋的叠加态也会坍缩,要么处于确定的上旋状态,要么处于确定的下旋状态。

     问题来了。

     如果在地球上的爱丽丝观测到电子的自旋状态为上旋,在月球上的鲍勃观测到正电子的自旋状态为下旋,那么,这对从同一个系统里面分裂出来的粒子,就遵守了能量守恒定律。反过来,如果在地球上的爱丽丝观测到电子的自旋状态为下旋,在月球上的鲍勃观测到正电子的自旋状态为上旋,则这对从同一个系统分裂出来的粒子也遵守了能量守恒定律。

     但是,如果在地球上的爱丽丝观测到电子的自旋状态为上旋,在月球上的鲍勃观测到正电子的自旋状态也是上旋,那么,这对从同一个系统分裂出来的粒子,就明显违背了能量守恒定律。反过来,如果在地球上的爱丽丝观测到电子的自旋状态为下旋,在月球上的鲍勃观测到正电子的自旋状态也是下旋,则这对从同一个系统分裂出来的粒子,也明显违背了能量守恒定律。

     按照爱因斯坦他们的假设,一个电子与一个正电子分离后,就变成了两个独立的系统,不会相互关联和相互干涉。因此,根据量子力学的不确定性原理,上述实验中,在地球上的爱丽丝和在月球上的鲍勃,观测到两个粒子的自旋状态同时为上旋或同时为下旋的情况一定存在,也就是它们违背能量守恒定律的情况一定存在。

     EPR假想实验,是基于“瞬时超距不存在”的假设。这种“定域性假设”就是:如果在测量时,两个体系不再相互作用,那么对第一个体系所做的任何观测,都不会对第二个体系发生任何影响,反之亦然。

     EPR假想实验,是爱因斯坦等人为消灭新量子论的“妖怪”而设计的“大杀器”,矛头直指新量子论的心脏——不确定性原理。

     EPR假想实验的狠毒之处在于:如果新量子派认为在地球上的爱丽丝观测到电子的自旋状态为上旋,那么,在月球上的鲍勃观测到正电子的自旋状态必然为上旋——因为只有这样才不会违背能量守恒定律。可是,这恰恰掉进了爱因斯坦他们设置的“陷阱”——承认了“瞬时超距作用”的存在。电子在地球上,正电子在月球上,它们已经分裂成为两个毫无关联的独立系统,测量地球上的电子,竟然会关联到月球上的正电子,这种瞬时超距作用,在坚持定域实在论的爱因斯坦等人看来,是不可思议的事情,根本就不科学!

     如果新量子派说“我们也不相信瞬时超距作用”,就会陷入第二个大“陷阱”——违背能量守恒定律。能量守恒定律,无论是在过去,还是在今天,甚至在未来,都是物理学的金科玉律,不可违背。新量子论一旦掉进违背能量守恒定律的陷阱,必将粉身碎骨,万劫不复。

     EPR假想实验争议的核心就是“瞬时超距作用”是否存在的问题。认为“瞬时超距作用”不存在的,属于定域实在论;认为“瞬时超距作用”存在的,属于非域实在论。

     薛定谔看到EPR假想实验后,将从同一个系统分裂出来的两个粒子之间的关联,称为“量子纠缠”。从某种程度上讲,正是爱因斯坦等人促成了量子纠缠现象的发现。量子力学的历史充满了黑色幽默,原先反对它的,最后反而成就了它。例如当初薛定谔设计的“猫实验”,原本是想嘲弄一下新量子论的荒诞不经,可是后来“薛定谔的猫”却成了量子力学的最佳“代言人”。这是题外话,下面我们言归正传。

     以爱因斯坦为首的定域实在论者,同以波尔为首的非定域论者,由此展开了旷日持久的拉锯战。由于双方都没有实验观测依据作支撑,这场论战一度陷入了玄学争论的泥坑而不能自拔。

     1964年,英国物理学家贝尔,从“隐参量存在和定域性成立”出发,得到一个可供实验检验的不等式。这就是鼎鼎大名的贝尔不等式,其数学形式为∣Pxz-Pzy∣≤1+Pxy .

     贝尔不等式,基于定域性和实在性的双重假设,对两个分隔的粒子同时被测量时,其结果的可能关联程度,建立了一个严格的限制。

     贝尔原本是爱因斯坦的忠诚粉丝,他设计这个不等式的初衷就是为了支持定域实在论。如果这个不等式成立,则证明爱因斯坦坚持的定域实在论成立;如果这个不等式不成立,则证明波尔主张的非定域实在论正确。

     贝尔把一个长期争论不休的哲学理论问题,变成一个可供实验判决的科学问题,让定域实在论与非定域实在论之间的论战,重新回归科学理性,可谓功莫大焉。

     关于贝尔不等式的证明非常复杂难懂,这里不作过程讲解,只作结果介绍。感兴趣的朋友在网络上搜索一下,就会有“贝尔不等式”这个词条的详细论述。

     1972年,约翰·克劳泽与史达特·弗利曼首先完成了贝尔的实验,实验结果符合量子力学的预测,说明从同一个量子系统分裂出去的两个粒子,在远距离上确实还存在着相互关联。

     2017年,中国的量子科学实验卫星墨子号,实现了两个量子纠缠光子的分发,它们被发射到相距超过1200公里的距离后,仍可继续保持其量子纠缠的状态。那曾经被爱因斯坦戏称为“鬼魅般的超距作用”,被实验一次次地证实。

     今天,量子纠缠已经成为一种资源,被运用到量子加密通讯和量子计算之中。量子通信和量子计算,一旦技术成熟进入商用,势必要引发一场信息革命和人工智能革命。

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     量子纠缠的瞬时超距作用,违背了爱因斯坦的广义相对论光速不可超越的限定。量子物理学家为了调和这个矛盾,提出“量子纠缠不传递信息”的假设。至于为什么不传递信息,暂时还没有比较有说服力的解释。

     这里要特别强调一下,隐藏在量子纠缠现象背后的本质和原理,到目前为止科学界尚未搞清楚。量子纠缠的瞬时超距作用,还是谜一般的存在。

     有人提出高维空间理论来解释量子纠缠,他们推测两个分裂的粒子在高维空间中存在着关联,只是目前人类的科技水平还不能观测到。大家同时也要注意,高维空间理论,目前仍然是一种数学模型,在四维空间以上,是否存在更高维的空间,现在还没有办法进行观测。大家千万不能把数学模型当真实存在,量子纠缠的高维空间理论解释,仅仅属于一种推测。

     2006年,比伊利诺伊大学的科学家发现了时空的几何结构与量子纠缠存在着关联。2013年,普林斯顿高等研究院的物理学家和斯坦福大学的物理学家在合作研究中发现,如果两个黑洞纠缠在一起,它们就会产生虫洞,即广义相对论中所预言的一种时空捷径。这项发现及进一步的数据计算表明:过去被认为不涉及实体联系的量子纠缠,竟然能够产生出时空结构。

     量子纠缠能产生时空结构,说明“时空并不是前提,而是结果”。换而言之,时空并不是量子纠缠的场所,而是量子纠缠的产物。是物质联系产生了时空,而不是时空本来就存在那里,然后等待着物质去填充。时空并不是一个最基本的存在。

     两个纠缠粒子分离的过程,实质上是二者创造新时空的过程。两个粒子在分离的过程中建立了它们自己的新时空。当其中一个被观察,另一个立刻便“感知”,实质上它们本来就一直都是一个整体。在微观量子世界,联系是根本,时空区隔不是问题。量子纠缠更能深刻地描述宇宙万物的普遍联系。

     瞬时超距作用,究竟是什么“鬼怪”一般的存在?也许,我们需要建立一种新的时空观念,才能理解。


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     最后,回答一下文章标题的问题:量子纠缠的速度究竟超过光速多少倍?

     在小学三年级的课本里面,我们就知道:速度=距离/时间。距离其实就是空间的大小或长短。这里的空间和时间,都是经典物理学里面的绝对空间和绝对空间,与之相应的速度也是一个经典物理学概念。用经典物理学的空间和时间概念去描述非经典的量子纠缠现象,本身就存在着巨大的问题。也就是说,用经典物理学的语言,能不能恰当地描述量子现象,还是一个大问题。

     另一方面,即便可以用经典物理学的速度概念去描述量子纠缠现象,目前的科学技术条件还无从下手去实施测量。简单直白地说,目前科学家还不知道究竟要用什么工具和方法去测量量子纠缠的速度。

     所以说,一些自媒体说量子纠缠的速度超过光速千倍万倍,纯粹是想当然的胡扯。

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