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量子力学中的两个关键问题—量子纠缠和不确定性都指的是什么?
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2022.10.21 广东

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若相对论是有悖于生活经验和直觉的,那么量子力学就只有用离奇来形容了。虽然我们的世界是高度数学化、高度量子化的,但我们的肉体却无法真切地感知到物质和光的量子本性。量子力学可以用一系列的“最”来形容,它是有史以来最成功、最精确、最经得起检验的理论。

一百年来,无数人前赴后继想要“推翻”量子力学,但都以失败告终,难以想象,在如此漫长的时间里,它经受了多少考验。可是它与任何实验都不冲突,每次检验都更加确定了其精确性,也无需怀疑它的真实性,因为人类已经在量子力学的基础上,建造了现代的科技大厦,没有量子力学就不会有半导体和现代电子,也就不会有电脑、手机、相机以及相关的一切,你接触到的几乎所有科技产品都高度依赖于它。

很多人认为量子力学很玄,是因为费曼说过“没人真正理解量子力学”,正如人们无法100%搞懂爱情,也没办法把爱情量化,但这并不影响我们谈恋爱。

量子力学可以容纳所有经典物理语言,但是反过来就不行了。当涉及到大型物体的时候,量子力学和牛顿经典力学的预言是一致的,但是一到微观世界,经典力学就失效了,我们无法用传统理论去描述量子作用。要描述原子内部的活动,人类的语言还远远不够,所以我们不用传统的理论模型去解释量子现象,而是要反过来,找出其中的不同。

理解量子力学有两个关键点:量子纠缠和不确定性。

量子纠缠

提到量子纠缠,很多人认为荒唐可笑,在过去,即使很多支持量子力学的人也不相信量子纠缠。量子纠缠是根据量子理论方程做出的理论性推测,如果两个粒子距离很近时就会发生纠缠,而且即使把它们分开,它们依然可以保持这种“心灵感应”,哪怕一个在地球一个在月球,或者一个在银河系另一个根本不知道在哪里,二者之间没有力没有线,但不管多远,只要你观测到了,就会同时影响两个粒子,我们可以从一个粒子的状态来推测另一个粒子的状态。

不过爱因斯坦并不认可这种理论,这种无视距离的超距离作用让他觉得好笑,他并非完全否认,并承认纠缠粒子存在的可能性,但是认为应该用更简单的方式来解释这一现象,他把纠缠粒子比作一副手套,将两个手套分开,分别装到两个密封的箱子,其中一个箱子放到我们面前,另外一个箱子送到月球,只要你不打开你就不知道里面装的是左手的还是右手的,但是一旦打开箱子,在你看到手套的一瞬间,你就同时确定了两只手套的信息,即使月球上的箱子未曾被打开过,这样想来量子纠缠也就不神秘了。

关于量子纠缠,波尔和爱因斯坦给出了完全不同的解释:波尔认为粒子不管相距多远都可以瞬间的、无视距离的相互影响;而爱因斯坦则认为无论电子是什么状态,在它们分开之前就已经确定好了。

孰是孰非,这场争论持续了很长时间,科学界也一直没有解决的办法,所以这个问题被归为哲学问题,这里很容易让人联想到薛定谔的猫,到了1972年,这个难题被哥伦比亚大学的一个学生给攻破了,克劳泽把一个哲学问题变成了一个可以证明的实验问题,克劳泽的机器可以测量数千对纠缠粒子,并且可以从不同角度观察它们的旋转,这种实验的结果大概率不是a就是b,不是你对就是我错,但是结果仍然让人觉得非常震惊,实验证明量子力学是对的,爱因斯坦错了,幽灵般的量子纠缠竟然是真是存在的,这种纠缠是瞬间的、无视任何距离的。

至此,人们仍然难以理解量子力学,就好比很多人问,为什么光速是30万公里每秒,而不是四十五或五十万每秒,为什么光速不变,这个问题就好比再问,我是谁?我在哪里?这是哲学问题,光束数值和光速不变都是结果,不是原因,这是世界的规律,我们只是发现了它。无论多简单的问题,只要往上问三层,就能触及人类认知以外的世界。

既然以及证明了量子纠缠的真实存在,证明了时空就是以这种形式存在的,那么我们可不可以利用量子纠缠实现信息传播,或者将物体直接传送到另外一个地方,而不用去考虑光速和距离的限制,就像科幻电影里面那样。

在南非的金丝雀群岛上,这样的试验已经有了进展,先制造一对纠缠的光子a和b,首先将b发射到89公里以外的岛上,然后制造第三个光子c,让它和a建立关系,通过幽灵般的超级作用,实验室将远方的b变成了和c一模一样的光子,好像c瞬间穿越大海一样,通过这种技术实验室已经传输了很多粒子,这项技术可以像电影一样将人传递到另外一个地方,但是人被穿过去后原来的自己不会消失,这样就会存在两个自己,传送次数越多产生自己的数量也越多,你可以接受吗?这种传输时间上不是加快速度,而是像闪现一样没有中间过程,直接出现在另外一个地方。

除了用来瞬间传送以外,我们还可以制造量子计算机,量子计算机的核心仍然是二进制的,010101,只不过量子计算机是量子态,可能是0也可能是1,普通计算机不管速度多快,总归要一点一点算,但量子不同,量子可以同时完成不同的任务,比如破译密码,普通计算机几百年都破译不了的密码,量子计算机可以瞬间完成,一旦投入使用,所有密码都形同虚设。当然矛锋利了自然盾也会加强,量子加密也会出现。

量子计算机能做得远远不只是破解密码,计算越复杂,变量越是多,它的越是就越明显,比如预测气候变化、自然灾害、战争等群体行为,这在过去是无法想象的,过去为了简化计算通常要摒弃许多变量,但如果用量子计算机的话,仅需一台几百个原子组成的迷你计算机就可以轻松解决,计算机的核心比沙子还小。目前量子计算机已经进入了应用阶段,各国的量子计算机也逐步地接入云端,量子霸权的时代即将来临。现在的量子计算机就好像几十年前的初代处理器,如果量子计算机的发展也遵循摩尔定律的话,那计算机的能力不可限量。当人类将如此强大的算力赋予人工智能时,又会发生什么呢?大家可以想象一下。

不确定性

量子力学中最难理解的部分应该是不确定性。现实的生活经验告诉我们,物质是确定的,我们要么在家里,要么在外面,我们不能又在家里又在外面,更不能这一秒在家里下一秒就出现在外面,但量子世界则充满了不确定性,一个粒子一会出现在这里,一会又出现在那里,你把一个粒子的位置测量的越精确,它的速度就越不精确;反过来,你把速度测准的话,那么它的位置就测不准了,你永远无法知道一个电子准确的位置,我们只能有概率来表示它出现在某一个位置的概率,但神奇的是,我们周围所有的人和所有的物体都是由原子组成的,我们和这些物体都处在一个稳定的状态,那么为什么一个完全不确定的微观世界,却组成了一个完全确定的宏观世界呢?

氢原子电子云

从微观到宏观的过程,一定有什么被漏掉了,一股神秘的力量把这种缺失给补上了,触及到了神的领域,眼镜闭上后什么都不存在了。虽然在宏观世界中,物质保持了唯一的确定性,但我们仍然可以从宏观世界回溯到微观世界,微观世界中千千万万可能性,仍然存在于量子世界中,一点也没有消失,事实上,每一种可能都已经发生了,只是其他的部分并没有展现在我们的世界中,而是在平行世界。

薛定谔的猫

近些年,量子研究的最前沿就是多维宇宙,在各种推论当中我们的世界可能是5维、6维、11维、26维的,这种思想本身其实并不新鲜,神话故事中也有类似体系,9重天和18层地狱,但不同的是科学研究可以结出果实,而不是把未知的东西都归为神作,按照远古时代的标准,现代人大部分都是神,相对论和量子力学为我们打开了新世界的大门,但它们之间一直是有矛盾的,是否存在一种理论可以包容二者,量子引力论、超弦理论、M理论,科学家们在追求大一统理论的道路上已经看到了曙光,研究量子理论会改变我们对世界的看法,而且需要更多的人投入其中,现代科技的落后其中一部分就是量子技术的落后。

微观和宏观世界并不存在明显的界限,量子力学把物理中的粒子分为两类:玻色子和费米子,这些粒子可以是基本粒子,比如电子和夸克,也可以是复合体,比如质子和原子核,不管是什么粒子,它要么是玻色子要么就是费米子。任何世界都不会比我们的现实世界更为复杂,任何可以计算的方程,都是对现实世界的简化和分解,不管是相对论还是量子力学,它都帮助我们更好的理解我们的宇宙。

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