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【疯狂物理学家】贝尔:量子纠缠存在吗?鬼魅般的超距作用该怎么理解?
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这是【疯狂的智人】第 076 篇文章
疯狂的物理学家】第 035 篇文章

有一天,翠花决定送我和大柱子一双鞋,不是一人一双,而是将一双鞋中的两只鞋子分别送给我俩,一左一右。在收到快递的信息后,我想大柱子也收到了,我平时是一个很懒的人,不愿意下楼拿快递,但我好奇心又特别重,很想知道翠花寄给我的是左鞋子还是右鞋子。于是,我就可以给大柱子打个电话,问他收到的是哪只。如果他收到的是左鞋子,但我这边收到的必定是右鞋子,反之亦然。

 

在我和大柱子没有收到快递之前,我们都不知道自己即将拿到的是左鞋子还是右鞋子。等到我们收到各自的快递后,只要一人确定了左右,另一边哪怕是拒收快递,也会知道箱子里面是哪只鞋子。
 
问题来了,鞋子的左右是在翠花放进快递之时就确定的,还是在我和大柱子收到快递,其中一人打开后确定的?这并不是一个脑筋急转弯的,而是量子力学中的量子纠缠。
 

爱因斯坦接受不了量子力学中的不确定性,在跑到美国后拉到了两个盟友,一个是波多尔斯基,另一个是罗森。1935年3月,三人共同在《物理评论》杂志上发表了一篇论文,名为《量子力学对物理实在的描述可能是完备的吗》。
 

现在让我们假设有一个大粒子,它本身的自旋为0,但它是不稳定的,很快就衰变成了两个小粒子,而后朝着相反的方向飞去。再假设,这两个小粒子有两种可能的自旋,如果粒子A的自旋方向是左,那么B粒子的自旋方向就是右。
 
两个小粒子飞出去,在我们没有观察其中任何一个之前,它们的状态都是不确定的,只有一个波函数可以描绘它们。
 

现在,让我们观测其中的一个粒子,比如是A,发现,它的自旋方向是左,这时,可能B粒子已经飞出了好远好远,距离A粒子可能有几万光年。当我们观测到A粒子的时候,我们就能立即知道B粒子的状态!就像当我得知大柱子收到的是哪只鞋子后,我就能立即知道我收到的那只鞋子是左还是右。
 
这就是“EPR佯谬”,被薛定谔戏称为“量子纠缠”。
 

爱因斯坦会这么解释,其实,在那个大粒子分裂成两个纠缠的小粒子之时,其状态就已经确定了。就好比在两只鞋子被装进快递盒子的时候,我和大柱子即将收到哪只鞋子,就已经注定了,无论是我还是大柱子,打开了自己收到的快递,得知了自己收到的是哪只鞋子,也不过是对一个客观事实的再确认。
 
而以玻尔为首的哥本哈根诠释学派则认为,在我和大柱子收到快递并确认其左右之前,实际上两个快递盒子中的鞋子是不确定的,就拿我的快递来说,在我没有给大柱子打电话确认之前,我那盒子里面可能是左鞋子,也可能是右鞋子,是一个量子叠加态。而当我打电话跟大柱子确认了之后,如果大柱子收到的是左鞋子,那我快递盒子里的鞋子的波函数就坍缩了,坍缩成了确定无疑的右鞋子。在没有确定之前,一切都是未知的。
 
爱因斯坦会认为,你以为的未知,其实站在上帝视角上是已知的,上帝不会和你玩这种到底是爱我还是他的死亡概率问题,因为他不掷骰子。只不过我和大柱子都太笨了,技术太落后,对上帝所设下的规律还一无所知。爱因斯坦认为,就算量子力学不是矛盾的,那它也是不完备的。
 
如果哥本哈根诠释学派是对的,那就会带来一个随机的世界,彻底打破了这个客观世界的确定性,这也是爱因斯坦与薛定谔所无法接受的。
 
物理学家们一旦遇到分歧,那可以来一场实验看看究竟谁对谁错。可是,当时的技术条件还不允许,因此我们会看到在量子力学诞生之后的几十年中,大家也都是在打口水战,或在头脑中做一场场思想实验,因为具体的现实实验根本没法做。
 

对于玻尔与爱因斯坦之争,出生于美国的犹太物理学家戴维·玻姆提出了隐变量理论。玻姆虽然出生于美国,参与了曼哈顿计划,但后来受到了麦卡锡主义的迫害,被迫离开了美国,最后于伦敦大学伯克贝克学院任教,就连护照都被吊销了,因此他又是英籍物理学家。
 

玻姆一开始站在哥本哈根诠释学派,后来受到了爱因斯坦的影响,认为量子世界的不确定性只是表面现象,一定有更深层的使不确定性变为确定的未知因素。因此,玻姆决心要对主流的哥本哈根正统观点提出挑战,试图找到一种能完善量子理论的决定论方法,让量子力学回归经典。
 
1952年,玻姆在德布罗意的基础上,建成了一个既具有经典牛顿力学确定性而其行为又符合量子力学预测的隐变量模型。
 
比起哥本哈根诠释,玻姆的这套理论不需要波函数的坍缩这个过程,简单来讲就是将量子力学拉回了确定性。
 
二战结束之后,百废待兴,量子力学也逐渐进入了可用具体实验来验证的时期。约翰·斯图尔特·贝尔是一个出生在爱尔兰的物理学家,毕业后任职于欧洲高能物理中心,做加速器设计工程有关的工作。他对量子力学也极为感兴趣,业余时间都在研究它。
 

贝尔是爱因斯坦的小粉丝,他认同爱因斯坦关于量子力学的解释,也就是说,在粒子中存在一种被称为“隐变量”的东西。看上去好像是随机的粒子,实际上是受到了我们人类目前所无法发现和理解的隐变量的影响。
 
可是问题又来了,这个隐变量是什么呢?
 
贝尔沿着概率统计的方向思考下去,比如,假设隐变量λ存在,我们虽然不知道这个λ是什么,但是,既然这隐变量能影响粒子的行为,那么,粒子的某个可观测量,比如电子的自旋,就总应该和λ有一定的关系,应该是这个λ的函数的统计平均值。
 

后来,贝尔提出了“贝尔不等式”,其写出来的公式如下:
|Pxz-Pzy|≤1+Pxy
 
简单来理解一下这个不等式,不等式中的P是(x,y,z)三个测量方向中两个之间的相关函数。
 
举个例子,现在有三款游戏,王者荣耀、和平精英和消消乐,我们抽取一部分人来统计一下,看看哪些人在玩它们,有些人可能只玩一款,有些人可能玩其中的两款,有些人精力旺盛,也许三款都玩。
 
由此,我们就可以得到下面这张统计图:
 

接着,我们可以看下面这张图,列出了三个关联函数P1,P2,P3,如下:
P1=玩王者不玩和平的人=区域3+区域7
P2=玩和平不玩消消乐的人=区域5+区域6
P3=玩王者不玩消消乐的人=区域5+区域7
 

除此之外,我们可以得到很多关于P的函数,比如三者都玩的人,但为了叙述方便,这里就以三个关联函数为例。
 
我们通过图形就很容易得知:P3≤P1+P2
简单的小学数学推理,嫌麻烦的直接看结论就好,可忽略:
P3=区域5+区域7;P2=区域5+区域6;P1=区域3+区域7
每一个区域都是大于等于零的,不可能存在负数,因此“区域5+区域7≤区域5+区域7+区域6+区域3”
等式右边调整一下顺序,得:区域5+区域7≤区域3+区域7+区域5+区域6
最终得:P3≤P1+P2
 
实际上,贝尔不等式有多种不同的形式,上面只是其中的一个变种,举这个例子也是为了说明,贝尔不等式是建立在严格的数学逻辑之上,是不可能出错的知识。在量子力学中,如果隐变量存在,那么测量结果就符合贝尔不等式,如果隐变量不存在,那么测量结果就不符合贝尔不等式。
 

换句话讲,如果贝尔不等式在量子力学中成立,则爱因斯坦就对了,如果不成立,则玻尔就对了。
 
对于贝尔不等式的观测实验,实际上要等到80年代才第一次出现。那时候,爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡、狄拉克、德布罗意等都已经去世。
 

1982年,法国人阿斯派克特第一次通过实验来验证贝尔不等式,结果表明,贝尔不等式不成立。换句话讲,爱因斯坦错了,玻尔对了。
 

在量子世界中,那个鬼魅般的超距作用,真的存在。
 
也就是说,当翠花给我和大柱子分别寄鞋子的时候,两个快递盒子中的鞋子状态,是左还是右,是不确定的。当大柱子打开盒子的那一刹那,我这边快递盒子中的鞋子状态才得到了确定。就像是大柱子的鞋子在被大柱子看到的那一刹那,他打了个电话给我的快递盒子,说:“兄弟,我被发现了,是左鞋子,你赶紧的,变化超级形态,变成右鞋子。”然后右鞋子(准确来讲是我快递盒子中的鞋子)回应:“收到。”
 
再然后,我的快递盒子中的鞋子状态就被确定成了右鞋子。如果我一直不打电话给大柱子确认状态,以及大柱子也始终不打开快递盒子,则我这边快递盒子中的鞋子就处于量子叠加态,可能是左,也有可能是右。
 

就连阿斯派克特也惊讶于第一次实验带来的结果,为了万无一失,他做了第二次实验,而后第三次,每一次都表明,贝尔不等式不成立。
 
实验结果揭秘后,哥本哈根诠释学派非常高兴,只有贝尔一个人不高兴,他后来花了大半辈子的时间,试图找出实验的漏洞,去世之前还在思考如何修正理论。
 
从阿斯派克特实验至今30多年,人们在光子、原子、离子、超导比特、固态量子比特等许多系统中都验证了贝尔不等式,所有实验无一例外,全部支持量子理论。(验证只是做实验观测一下,至于结果是证实还是证伪,则不包含在内)
 
可是,等会,如果贝尔不等式不成立,那么超距作用就是存在的,岂不是违反了爱因斯坦的相对论吗?岂不是在说,这个世界上有超光速的东西存在吗?
 
其实并没有,这些超距作用传递的信息,毫无意义。要想获得意义,还是得通过传统的、不超过光速的手段沟通交流。
 
这就好比,就算我和大柱子分别收到了两只鞋子,就算它们的状态是在超光速的情况下确定的,但关于这个信息的实在意义,我们还是不知道。我们要想获得鞋子的意义,还是得打电话,以不超过光速的通讯手段来询问翠花,究竟左鞋子代表爱还是右鞋子代表爱。
 
爱我还是他,在我和大柱子收到鞋子之后,依旧是一个悬而未决的问题,还是得打电话询问翠花。或者,翠花提前告诉我和大柱子,左鞋子代表爱,谁收到了左鞋子就代表她要嫁给谁。可是问题又来了,在量子世界中,翠花根本就无法确定寄出去的鞋子哪只是左、哪只是右。她也是随机发送的,在这样的情况下,就算我收到了左鞋子,也没有任何意义。
 
或者说,不管收到哪只鞋子,我都强行赋予意义,确定翠花是爱我的。但这只能是一厢情愿,就算是量子力学,也对此束手无策,大有一副“你高兴就好”的姿态。
 
玻尔曾说:“如果你没有被量子力学惊到,那你肯定不懂量子力学。”
 
爱因斯坦也说:“我思考量子力学的时间百倍于广义相对论,但依然不明白。”
 
原子弹之父费米也说:“我可以有把握地说,没有人懂量子力学!”
 
中国“墨子号”首席科学家、量子通信第一人潘建伟也说:“只要我把为什么会有量子纠缠弄明白的话,我马上就可以死。但是现在又不能马上搞清楚,所以我又希望活得很久……”
 

你要问我什么是量子力学,为什么会有量子纠缠这样的玩意儿存在,我只能很诚实地告诉你,目前还不知道,我们只是知道这种现象存在而已。
 
强行解释的,以及那些强行给“量子纠缠”赋予实在性意义的(或者用量子来阅读或养生的),不是伪科学就是江湖骗子(这一点毫无疑问!)。
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