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你认为量子力学奇怪:看看纠缠的时间

在1935年夏天,物理学家爱因斯坦(Albert Einstein)和欧文·薛定谔(ErwinSchrödinger)就量子力学新理论的含义进行了丰富的,多方面的,有时令人烦恼的对应。他们担心的焦点是薛定谔后来称之为纠缠:在相互作用后无法独立描述两个量子系统或粒子。

直到他死后,爱因斯坦仍然坚信纠缠表明量子力学是不完整的。薛定谔认为纠缠是新物理学的定义性特征,但这并不意味着他轻易接受。他在1935年7月13日给爱因斯坦的信中写道:“我当然知道数学如何在数学上起作用,但我不喜欢这样的理论。薛定谔的着名的猫,在生与死之间悬而未决,首先出现在这些信件中,这是描述困扰两人的困难的一个副产品。

问题是,纠缠违背了世界应该如何工作。信息的传播速度不能比光速快一个。但是在1935年的一篇论文中,爱因斯坦和他的合作者展示了纠缠如何导致了现在称为量子非局域性的问题,这个纠缠的粒子之间似乎存在着一种怪异的联系。如果两个量子系统相遇然后分离,即使在数千光年的距离上,也不可能测量一个系统的特征(例如其位置,动量和极性),而不会立即将另一个系统转换成相应的状态。

迄今为止,大多数实验已经测试了空间差距上的纠缠。这个假设是量子非局域性的“非局部”部分是指跨空间性质的纠缠。但是,如果纠缠也会随着时间而发生呢?有没有时空非地域的东西?

事实证明,答案是肯定的。就在你认为量子力学不可能变得更加怪异的时候,耶路撒冷希伯来大学的一组物理学家在2013年报告说,他们已经成功纠缠了从未共存的光子。涉及“纠缠交换”技术的先前的实验已经通过延迟测量其中一个共存的纠缠粒子来显示量子相关性,但礼Megidish和他的同事是第一个显示的光子,其寿命不重叠之间纠缠在所有。

这是他们如何做到的。首先,他们创建了一对纠缠的光子,'1-2'(下图中的步骤1)。不久之后,他们测量了光子1的极化(描述光的振荡方向的性质),从而“杀死”了它(步骤II)。光子2被发送在一个疯狂的鹅追逐,而一个新的纠缠对,“3-4”,创建(步骤三)。随后光子3与巡回光子2一起被测量,使得纠缠关系从旧对(“1-2”和“3-4”)“交换”到新的“2-3”组合步骤IV)。一段时间之后(步骤V),测量单独幸存者光子4的极化,并将结果与长寿命光子1(在步骤II返回)的结果进行比较。

图1.时间线图:(I)光子1和2的产生,(II)光子1的检测,(III)光子3和4的产生,(IV)光子2和3的Bell投影,(V)检测光子4

结果呢?这些数据揭示了“时间非局域”光子1和4之间量子相关性的存在。也就是说,纠缠可能发生在两个永远不会共存的量子系统上。

这到底是什么意思?初看起来,似乎令人担忧的是,在遥远的过去的星光极性 - 比地球一生的两倍 - 还是影响了今年冬天通过业余望远镜降落的星光的极性。更奇怪的是,也许这意味着,今年冬天,通过您的眼睛观测到星光穿透望远镜的测量,不知何故就决定了光子超过90亿年的极性。

为了避免这种情况的出现,Megidish和他的同事们不能拒绝对他们的结果进行可能的,相当诡异的解释。也许在步骤II测量光子1的极化以某种方式控制未来的极化4,或者在步骤V测量光子4的极化以某种方式改写光子1 的过去的极化状态。在前向和后向方向上,量子相关跨越因果关系一个光子的死亡和另一个光子的诞生之间的空白。

不过,只要一勺相对性,恐怖就会消失。在发展狭义相对论时,爱因斯坦从其牛顿基座中抛弃了同时性的概念。结果,同时性从一个绝对的财产变成了一个相对的财产。宇宙没有单一的计时器; 确切地说什么时候发生什么取决于你相对于你正在观察的精确位置,被称为你的参照系。所以避免奇怪的因果行为(指导未来或重写)的关键过去)在时间分离的情况下是接受“同时”呼叫事件几乎没有形而上学的权重。它只是一个框架特定的财产,是许多其他选择,但同样可行的选择 - 一个约定或记录的问题。

这个教训直接导致时间和空间的量子非局域性。有关纠缠的粒子对之间的秘密意味着对标签的分歧,这是由相对性引起的。爱因斯坦表明,任何事件的顺序都不可能在形而上的特权 - 可以被认为是比其他任何事物更真实。只有接受这种见解,才能在这样的量子难题上取得进展。

在希伯来大学的实验(实验室的框架,光子1的框架,光子4的框架等)的各种参考框架有他们自己的“历史学家”,可以这么说。虽然这些历史学家会不同意事情的发展,但是他们中的任何一个都不能在真理上占据一席之地。根据那个时空的观点,每一个事件都有不同的顺序展开。那么显然,任何分配框架特定属性的尝试,或者将一般属性绑定到一个特定的框架,都会引起历史学家之间的争论。但这里的东西:虽然有可能是合法的分歧哪些属性应该被分配到粒子的时候,不应该有对非常分歧存在这些特性,颗粒和事件。

这些发现推动了我们心爱的古典直觉与量子力学经验现实之间的另一个楔形。对于薛定谔及其同时代人来说,科学进步将涉及到对某些形而上学观点的局限性的调查。薛定谔的猫半活半死,是为了说明系统的纠缠如何导致宏观现象,这些宏观现象违背了我们对物体与其特性之间关系的一般理解:像猫这样的有机体不是死或活。那里没有中间地带。

大多数当代哲学对物体与其属性之间关系的哲学解释仅仅是从空间非地域性的角度来理解纠缠。但是,在时间上的非局域性方面还有很多工作要做 - 不仅在物体属性的讨论中,而且在关于物质构成的争论中(比如一块粘土和它所形成的雕像之间的关系)以及部分 - 整体关系(比如一只手如何与一个肢体相关,或者是一个肢体与一个人的关系)。例如,部分与整体整体如何契合的“谜题”假设底层组成部分之间有明确的空间边界,但是空间非地域性则提示了这一观点。时间的非局域性进一步复杂化了这种情况:如何描述一个组成部分甚至不共存的实体?

辨别纠缠的性质有时可能是一个不舒服的项目。目前还不清楚Megidish和其他物理学家等人引人入胜的新研究可能会产生哪些实质性的形而上学。薛定谔在给爱因斯坦的一封信中苦苦地注意到(并且用一个古怪的比喻):“人们感觉这正是新理论中最重要的陈述,可以真正被挤进这些西班牙靴子中,但是只有困难。我们不能忽视未来形而上学的空间和时空的非地域性:靴子是否合适,我们必须穿上它们。

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