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39.量子纠缠与超光速


量子纠缠与超光速 来自王木头讲科学 09:56


你好啊,欢迎来听王木头讲相对。

这一集还是讲超光速,超光速已经连续讲3集了。先是讲了中微子,本来以为发生超光速现象,违反了相对论呢,结果是实验没做好,是误会。然后,又讲了宇宙膨胀,膨胀的速度的确是超光速了,但是没有违反相对论,顺便还解释了一下,虫洞能跨越时空,但并不是超光速。

你也感觉到了,我们讲的这个顺序好像有个规律,是朝着越来越颠覆相对论的方向发展的。没错啊,今天讲的这个这个现象,还真的是在某些方法颠覆了相对论。这就是大名鼎鼎的量子纠缠了。

不过,我要强调一下啊。很多人都认为量子纠缠现象是颠覆的是不能超光速的这个规则。其实量子纠缠并没有颠覆这件事,它颠覆的是其他的。到底是什么呢,那就听我慢慢讲了。我们还是先来看看什么是量子纠缠的现象吧。

量子纠缠,既然叫这个名字,可以知道它一定是和量子有关的。量子可不是电子啊、光子啊一样表示一个具体的东西。简单地说啊,它是对所有基本粒子的一个统称。就像是我们把苹果啊、橘子啊统称为是水果一样。电子和光子都可以被理解为是量子,它们是最基本的单元。原子和分子就不是了,它们还可以由更小的粒子组成。所以啊,我们所说的量子纠缠啊,它不是只某种具体的粒子,而是所有基本的最微小的粒子,它们都有这样的情况。

量子世界,也就是这些微小的粒子,它们的规律和我们平时看到的世界非常不同。如果你喜欢科学的话,一定是多多少少听过的。我们这一次肯定是没办法详细讲了,有机会我们专门开一个系列来给你解释量子世界。

我们今天就先只看量子纠缠是什么情况。形象点说呢,量子纠缠就是两个基本粒子的心灵感应。就比如电子吧,电子有个属性叫做自旋,你可以简单地把自旋理解为像陀螺一样的旋转。两个电子在特定的情况下,是可以形成一种特殊的关系的。就是它们就好像会心灵感应一样,如果你是左自旋,那我一定是右自旋,如果你是右自旋那我就一定是左自旋。这种关系就是纠缠状态。

讲到这里,好像还没有感觉有什么神奇的,对吧。那接下来就是重点了。如果有两个电子在一起的时候,形成纠缠状态。然后,它们就分开了,分别朝着相反的方向走。当它们走了很远很远之后,多远呢?可以是从宇宙的这一边到宇宙的那一边那么远,也就是跨越整个宇宙。这个时候,你去看其中一个电子,假如你发现了它是左自旋的,那么另一个马上就会变成右自旋。

到这里你体会到神奇了吗?这其实就是说啊,两个电子会跨越整个宇宙发生联系,在你看其中一个电子的瞬间,另一个电子就知道你在看,而且还知道你看到的是什么。还没有完,还会瞬间就变成和你看到的相反。你看到是左自旋,那我就变成右自旋,你看到的是右自旋,那我就变成左自旋。这种心灵感应,几百亿光年的距离,一瞬间就可以跨越。是不是很神奇。

为什么会这样,为什么两个电子会发生这样的纠缠,为什么不论多远一瞬间就可以知道对方的状态。科学家们到现在也不知道原因,只是知道这个现象确实存在,但是就是无法解释。

那这个总应该超过光速了吧,总应该违反了相对论了吧。

别着急,我先来看看当时爱因斯坦自己知道这件事后的反应。他觉得,没错,这种现象的确存在,这一点我不否认,也没办法否认,这是实验室里真实做出来的。但是,你怎么能说这个电子是你看到另一个电子的瞬间发生了变化呢?为什么就不能是这样一种情况呢?

然后就给你举个例子。两个电子纠缠的过程,就相当于是你蒙着眼睛,把一副手套分别放进了两个盒子。

量子纠缠是说什么,不就是两个电子一定一个是左自旋另一个是右自旋吗?你想想看一副手套,是不是一个是左手套,一个是右手套。和量子纠缠这个过程一样对吧。

然后这个实验还干嘛了?是不是把两个粒子分别发向两个很远的地方,并且在此之前你不知道哪个是左自旋,那个是右自旋。你看看,你蒙着眼睛把手套分别放到两个盒子里是不是也不知道哪个是左,哪个是右。这一点也非常符合?

最后的关键了,就是分别把盒子一个运到北极一个运到南极,它们相距非常非常远了对吧。然后你打开其中一个盒子,诶,这个是左手手套。你知道了这个手套的,也就相当于知道了电子的状态。这个时候,你想想看,是不是另一个手套是什么,你一下子也就知道了呢?所以,爱因斯坦就认为,所谓的量子纠缠根本就不是什么超光速现象,而根本就是它们在分开之前就已经确定了,只是你没有看,你不知道哪个是哪个而已。根本不神奇。

讲到这里,你是不是也觉得爱因斯坦说的很有道理,或许这又是一个假象。甚至心里还会想,前面几讲总是说有超光速,总说有超光速,最后又说这是假超光速,这次会不会是故技重施,讲来讲去又是一个假超光速呢?

别急嘛。这个量子纠缠还没有讲完。虽然,爱因斯坦这个解释听起来也有道理,但是最后还是有实验证明了真实情况和他想得不一样,量子之间真的是有超距离的心灵感应。不过这个实验是怎么做的啊,是特别特别复杂的,等以后咱们讲量子力学系列的时候再来详细讲讲。而且我们这一集,这也不是重点。

重点是,即便是这样,发生纠缠的量子之间有心灵感应,它们最后也没有违反相对论规定的最快速度是光速这一点。这还没有?就连宇宙两边这么远的距离,都可以忽然感应到对方的改变,这还不是超光速啊。

诶,你要说这个反应速度呢,的确是超光速了的。关键问题是,相对论说的,是任何能量和信息都不能以超过光速的方式进行传递。量子纠缠这事,它的关键问题是没办法传递能量和信息。

你想想看啊,传递信息需要怎么做。假如,你和我在宇宙的两边,距离很远,手上有一对互相纠缠在一起的电子。我想告诉你,这次我考试考得怎么样,所以需要先约好了,如果你看到的是左自旋的电子,那么我就是考得好,如果是右自旋的电子,那就是我考得不好。

可是呢,在量子纠缠的情况下,我手边的是那个电子你在没有看之前是不确定的,也就是说我没有办法按照我想的那样去操纵电子,我只能是被动的观察。所以,本来我成绩很好的,结果打开电子看的时候,它可能是左自旋也可能是右自旋。如果是右自旋那是我蒙对了,如果是左自旋呢,你那里看到的就一定是右自旋,就会误以为我成绩很差。所以,量子纠缠在传递信息上一点办法也没有。信息的传递需要能量作为载体,能传能量就能传信息,不能传信息当然也就不能传能量了。所以这里也可以确定,量子纠缠最后还是没有突破光速这一条界限。

不过啊,我这里需要给你点信心了,量子纠缠虽然没有违反光速是最高速度这件事,但是它仍然打破了一条相对论设置的禁忌,它还是在某种程度上挑战了相对论的。这次不是假的了啊,那它到底是什么呢,我们下集再讲吧。 


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