什麽是量子糾纏?該如何通俗理解?
物理學上,量子糾纏是這樣定義的。當兩個或多個粒子發生相互作用後,單個粒子所擁有的特性會綜合成整體性質,因此就無法單獨描述單個粒子的性質,只能描述整體系統的性質,這種現象就被稱爲“量子糾纏”。
量子糾纏是量子世界裏非常詭異的現象之一,這個概念最早是從EPR佯謬中引導出來的。
EPR佯謬中的“EPR”是三位物理學家名字的首字母,分別是愛因斯坦,波多爾斯基和羅森,三人在1935年提出一個著名的思想實驗,就是EPR佯謬。這個思想實驗的目的很單純,就是爲了論證量子力學的不完備性,一定存在還未被發現的定域性隱變量。定域性,通俗理解就是“光速限制”。非定域性,就是指“超距作用”,突破光速限制的相互作用。
具體來講,是這麽回事。
一個系統裏有兩個粒子,分別位于相距遙遠的兩個地方。按照以玻爾爲首的哥本哈根學派的诠釋,在沒有對系統裏的兩個粒子進行觀測前,粒子一直處于疊加態,我們無法確定粒子的具體狀態,比如說到底是上旋還是下旋等。
事實上,系統裏的粒子同時處于“上旋和下旋”的疊加態,也就是“既是上旋也是下旋”。當我們想看看這種疊加態到底是一種什麽狀態時,被觀測的粒子瞬間就會發生坍縮,從疊加態坍縮爲本征態,也就是確定狀態,要麽上旋,要麽下旋。而系統裏另外一個粒子即便沒有被觀測,其狀態也瞬間確定下來,剛好與被觀測粒子的狀態相反。
這說明了什麽呢?說明不管兩個粒子相距多遠,哪怕幾千光年,我們只要觀測到其中一個粒子的自旋狀態,比如說向上,那麽瞬間就知道另外一個粒子的狀態,肯定是向下的,好像兩個粒子之間發生了“超距作用”。而一旦實施了觀測行爲,兩個粒子之間的糾纏關系就結束了!
愛因斯坦甚至稱之爲“鬼魅般的超距作用”,因爲這種作用方式看起來違反了狹義相對論中的光速限制,違反了定域性。由此,愛因斯坦認爲量子力學是不完備的,他認爲一個系統裏的兩個粒子在沒有被觀測前就已經處于本征態(確定狀態),而不是所謂的疊加態,人們的觀測行爲只是觀測到了早就存在的狀態罷了。
具體來講,愛因斯坦的诠釋可以這樣理解。打個比方,有一副手套,分別被裝在兩個密封的箱子裏,然後被放置在相距100億光年的兩個地方。我們只需要打開其中的一只手套,發現是左手套,那麽立刻就能知道100光年外的另一只手套是右手套。
也就是說,兩只手套的狀態其實早就確定了,只是我們不知道而已,我們的觀測行爲當然也不會影響到手套的狀態。
但是以玻爾爲首的哥本哈根學派則不那麽認爲。按照哥本哈根诠釋,疊加態是量子力學的核心思想。
而另外一位物理學大佬薛定谔也站在了愛因斯坦這邊,還提出了著名的思想實驗“薛定谔的貓”來諷刺哥本哈根學派的“疊加態”。
玻爾堅持認爲,在沒有觀測之前,粒子確實處于疊加態。假設小明在其中一個粒子旁邊,小李在100億光年外的另一個粒子旁邊。小明旁邊的粒子,看到粒子是上旋,當然瞬間也知道了100億光年外的粒子肯定是下旋。
但是這個過程並不會傳遞任何信息,小明並不能瞬間讓小李知道他身邊的粒子是下旋,而只能通過經典信息傳遞方式向小李傳遞信息,這個過程需要花費100億年。
當然,由于小明實施了觀測行爲,在觀測一瞬間兩個粒子的糾纏狀態就消失了,疊加態也消失不見。所以當小李再觀測它身邊的粒子時,會看到粒子確實是下旋。但小李獲得的“粒子是下旋”的信息並不是小明告訴他的,最重要的是,小李根本不可能知道自己看到粒子下旋的狀態,是否是因爲小明實施了觀測導致的,爲什麽?
因爲,無論小明是否實施了觀測,小李想要知道他身邊粒子的狀態,也只有通過觀測。而不管他身邊的粒子狀態是“疊加態”還是本征態,小李都只能看到最終的本征態!
總而言之,玻爾認爲,量子力學一定是完備的。
那麽愛因斯坦和玻爾到底誰對誰錯呢?兩人爲此爭論了幾十年,也沒有最終的定論,誰也沒有說服誰。
不過有一點大家不要誤解,兩人爭論的焦點是“量子力學的完備性”,而不是量子力學是否存在。實際上無論是愛因斯坦和玻爾,都認同量子糾纏的存在,只是對量子糾纏的解釋不同罷了。
時間來到了1964年,著名物理學家約翰貝爾提出了著名的“貝爾不等式”,關于這個不等式之前的科普文中有詳細介紹,這裏就不再詳述了。總之就是,如果貝爾不等式成立,那麽愛因斯坦就對了,定域性隱變量存在。如果貝爾不等式不成立,那麽哥本哈根學派就對了,隱變量就不存在。
在之後的幾十年時間裏,科學家們做了很多實驗來驗證貝爾不等式,結果表明,該不等式並不成立,也就是說愛因斯坦錯了,定域性隱變量是不存在的,玻爾爲首的哥本哈根學派對了,量子力學是完備的。
也就是說,實驗結果表明,量子糾纏中確實存在某種“超距”作用,物理現象並非都是定域性的,可以是非定域性的。
不過,並不是所有人都支持驗證貝爾不等式的實驗結果,不少人都認爲實驗過程都是有漏洞的,認爲這樣的實驗根本證明不了量子糾纏是真實存在的物理現象。
但現實是這樣的,科學家們早就通過不同方式實現了光子的糾纏態。比如說早在2017年我國的量子科學實驗衛星墨子號,就實現了兩個糾纏光子被分發到1200公裏的距離之後,仍可保持糾纏態,這也再次檢驗了貝爾不等式,是一次相對完善的太空實驗。---來源: 宇宙時空 -