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通俗理解“量子纠缠”

就在前两天,科学家用图像展示了“量子纠缠”。但这个新闻并没有首张黑洞照片那么火,可能是因为量子纠缠的概念太晦涩了。如果说,黑洞是爱因斯坦预言正确的事情,那么量子纠缠就是连爱因斯坦都不相信、甚至彻底搞错了的事情。没关系,虽然咱搞不懂深入的原理,了解一些皮毛还是可以的。

首先要说啥是“量子”

量子是个形容词,“量子某某某”,指的就是对于非常非常小的物体的某某某物理现象的研究。当研究的对象小到原子以下,甚至更小如电子时,适用于它们的物理规律就完全不同了。

比如,对于宏观的物体——砖头,你一搬它就起来,放在哪就是哪。但是如果考虑组成砖头的那些个原子,它们可不是像小号的砖头那样堆在一起的。你甚至根本说不清楚它们在哪。它们所遵循的物理规律和宏观的砖头完全不同。大概就因为这个,蚁人兄弟把自己缩小到量子领域后,就能大显神通了。

什么是“量子纠缠”?

“量子纠缠”指的是两个以上的“小东西”之间存在的密不可分的联系。这样说很玄,我们用宏观事物举例子:

买一双鞋,然后把两只分别包起来,随机快递给两个朋友。在两个朋友打开包裹之前,两个人都不知道自己收到的是左脚还是右脚。直到有一个人拆开包裹,发现自己收到了左脚,那么他就可以立刻断定,另一个人收到的是右脚。并且,无论两个朋友距离多远,就算一个在地球上,一个带着包裹登月去了,那么这个实验仍然会成功。

如果把两只鞋子换成两个纠缠在一起的粒子,那么这就是一个量子纠缠的演示实验。怎样?并没有很稀奇。

强调一点,有一些文章说,量子纠缠状态的两个粒子,无论距离多远,如果改变其中一个的状态,另外一个都会瞬间改变。这是个绝对错误的论述!

就像两只鞋子,打开包裹后,就算有一个朋友对收到的左脚不满意,他也不能把它变成右脚。就算他真的找裁缝把鞋子改了,也不会影响到另外那个朋友手里的那只右脚。对于微观粒子来讲,当你去做实验观察一边的粒子状态时,其实就已经打破了纠缠,两个粒子此后就没了关系,对一边的粒子做什么都不会影响另一边。

既然鞋子也能“纠缠”,那量子纠缠有什么神奇之处?

现在,假想我们把实验中的鞋子换成两粒骰子,分别寄给两个朋友,并让他们记下打开包裹时看到骰子的点数。不用想,两人看到的点数没有任何联系。为什么两只鞋子一定是一左一右,而两颗骰子点数会毫无关系?

这是因为,对于鞋子,虽然在打开包裹之前我们不知道答案,但是可以确定,装着左脚的那个包裹,从你打包的那一刻起,自始至终装的就是左脚,再也没有改变过,哪怕没有人知道。物理学家管这种没人知道,或者无法测量,但实实在在确定的事实,叫做“隐变量”(hidden variables)。所以说,鞋子总是一左一右,是因为每只鞋都存在对于两个朋友而言无法提前观测的“隐变量”。

两颗骰子则不同。根据经验,盒子里的骰子是完全随机的,打开盒子之前就不存在确定的点数。因此,你的经验告诉你,两个朋友打开盒子时,看到的点数肯定彼此无关。

然而,如果这个实验做了10次,发现两个朋友报告的点数总是相同的,那么你会如何解释?

可能性1:骰子不均匀,比如两颗骰子都有同一面很重,这样对面总是朝上。这就是说,每个骰子仍然有隐变量——不均匀的重心,只是更加隐蔽。但如果对于微观粒子而言,量子力学的理论基础认为并没有什么隐变量。相信隐变量,是动摇量子力学根基的事情。

可能性2:骰子中有智能通讯芯片,一旦一个盒子被打开、被看到,它瞬间会通过先进的5G网络联系另外一颗骰子,快速旋转到同一面。事实上,5G的速度都不够快。两个朋友距离之远、打开盒子的时间差之近,可以达到即使是光速都无法把一个盒子打开的信息传递到另一个去。

这就是爱因斯坦遇到的难题。以当时的技术,虽然没有做实验,但他用两个纠缠的粒子的量子力学表达式,当作这两个骰子,通过精妙的数学推理,证明了观测结果总是相关联的。

对于两种解释,爱因斯坦认为可能性2简直就是扯淡,亏你们想得出这么荒谬的可能性,还超光速哩。那么唯一解释是可能性1,所以量子力学的理论基础就不成立,量子力学“不完备”。这是个典型的反证法。

然而,之后越来越多的理论和实验逐渐将真理锁定在了可能性2上。这里根本就没有隐变量。的确存在一种神奇的力量,在打开一个盒子的一瞬间,协调了两个骰子的状态。并且这种协调的机制是瞬间的、超过光速的,不是5G,胜似5G。

(注意,瞬间的“协调”,并不存在超光速的信息传递。事实上,两个朋友也只有通过低于光速的方式,比如打个电话,才会惊奇地发现他们看到的骰子是相同的点数。)

这彻底改变了物理学家们的世界观。

原本,大家认为,任何事件的发生,其影响就像水波纹一样向周围的空间扩散。扩散的速度不超过光速。

比如说,特朗普发了一条脑残推特,一小时后大家奔走相告,一天内有些国家因此发表了声明,第二天国际空间站上不同国家的宇航员之间的关系发生了微妙的变化,等等等。但如果说这一条推特的“杀伤力”要影响到三体星人决定进攻地球,那就至少要4年后了。因为这条消息以光速传递到三体星,至少要4年时间。

这种特性被称为局部性、或可分性(locality)。也就是说,对任何一个事情的发生,在特定的时间范围内,其影响的空间范围也是有边界的、是局部的。每一时刻,世界总可以被分成“潜在受到影响的区域”和“必然还未受影响的区域”。

量子纠缠证实了,人们一直所相信的局部性,其实根本就不存在。任何事件的发生,都可能受到了银河系另一端的某个其它事件的影响,也可能进而直接影响了另一个星系中的某个事件。这种影响,并不是“因果联系”,而是微妙的“瞬间协调”。

宇宙是一个不可分割的整体。

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