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量子纠缠现象到底存在不存在

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发表于 2016-2-2 00:47:35 | 显示全部楼层 |阅读模式

物理学中没有比量子力学更让公众和物理学家感到困惑的领域了。一方面,量子力学创造了现代神话,很多人就此兜售理论,自圆其说;另一方面,对唯心主义者来说,量子力学让他们看到了原本客观的物质宇宙中存在自由意志的希望。在让物理学家感到困惑和挫败的所有因素中,量子纠缠首屈一指,被爱因斯坦嘲弄地称为“鬼魅似的远距作用”。

无论爱因斯坦承认不承认,量子纠缠的确是存在的。前段时间,荷兰的研究者证实了这点,也正应了万圣节的景。研究再次证明了看起来扑朔迷离的量子力学,其运行方式是完全能被测试的。

要解释什么是“鬼魅的纠缠”,我们可以先退到现实世界中,看现实中可以触摸到的常规物体被分离的状态(传统物体个体太大、和周边环境的相互作用太大,所以体现不出量子力学的作用)。比如引爆器和炸弹,如果我把它们置于道路两侧并激活引爆器,引爆器会以低于或者相当于光速的速度发出信号引爆炸弹,炸弹也只有在接到信号之后才会爆炸。

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然而量子纠缠理论认为,若将事先准备好的物体置于同一量子态,即使它们处于星系的两端,这些物体也能保持“纠缠”状态,只要这些物体不与其他物体发生相互作用就行。如果人们对处于纠缠状态的一个物体进行测量,另一个物体会瞬间受到影响,无论它们之间的距离有多么遥远。

此现象看起来也没有那么“鬼魅”。比如,如果把一模一样的双胞胎放到两个星系,我看到双胞胎之一的头发是红色的,会立即断言另一个也长着红头发。真正的“鬼魅”之处在于量子力学里面的测量过程。

我们用一对电子来举例。电子的运动模式为自旋,再加上它们携带一个电荷,因此更像小小的磁体。这就意味着使用电磁辐射就可能控制它们的自旋。我们可以设置这两个电子,使其围绕同一轴线朝不同的方向旋转,即“反向排列”。


现在我要对其中一个轴端的电子进行测量。如果此电子的旋转方向为A 方向,把它作为一个磁体来看,其北极所指的方向为“上”;如果其旋转方向为B 方向,那么北极指向的方向为“下”。因为这对电子自旋的方向是相反的,所以如果我发现一个电子的旋转方向为“上”,那么就可推断另一个肯定指向 “下”。

但这仅仅是个假设。量子力学认为,任何一个电子的自旋方向在测量之前都不确定,唯一确定的是这两个电子旋转方向相反。更为奇异的是,在测量之前,两个电子同时上下移动。它们被测量的状态是有概率的:当其中一个电子被测量时,只有50%的概率被“固定”为“上旋”或者“下旋”。因为两个电子处于一个量子态,它们相互纠缠,当我测量一个电子的自旋方向时,就会决定另一个电子的自旋方向,正如如果投掷一枚硬币正面朝上,就决定了投掷另一枚时肯定反面朝上。


只要两个电子保持纠缠,这种关联就会持续,即使它们处于星系的两端。如果我在实验室测量一个电子,另外一个电子会瞬间受到影响——尽管这两者之间相隔数千光年。

这种瞬时的相互作用就是“鬼魅似的远距作用”,爱因斯坦对此严重质疑。在爱因斯坦时代,纠缠仅是量子力学的一个推测,并没有人真正测试到。1935年,爱因斯坦和两位合作者,波多尔斯基和罗森共同撰写论文批判量子纠缠的荒谬(EPR 佯谬)。他们指出,如果量子力学做出如此预测,那么量子力学整个体系都是错误的,因为能做出这种预测的体系不可能正确描述宇宙。

爱因斯坦和他的合作者根据常规思维,认为既然把两个电子都分离,那它们就是两个独立物体。但是从量子力学的角度来看,无论相距多远,这两个电子都是同一量子态的一部分。的确,量子力学认为在我们测量任何一个电子之前,它的位置都是无法确定的,从某种意义上来说,它可能随时处于任何位置。


多年来,很多物理学家已经对爱因斯坦的质疑做出解释。他们提出,有一种不为人知的隐变量使得实验结果呈现出纠缠的现象。比如,也许实验室的设置会预先决定电子的自旋方向。这种猜测把物理学家带入窘境:我们如何知道这种隐变量不存在呢?


1964年,物理学家约翰·贝尔发表了一篇精彩的论文,证明如果进行科学严密的纠缠实验,就可以对粒子进行一系列的测量,得到一个定量分析结果,此结果正是传统理论中的隐变量无法解释的,由此排除了隐变量的存在。在过去的半个世纪中,很多研究团队使用贝尔定理来证明量子力学中的纠缠是真正存在的。但是,对此持怀疑态度的物理学家指出,在任何一个实验中都会存在不易觉察的漏洞。有人认为,被分离的系统可能实际上以隐秘的方式结合在一起。

近日,荷兰代尔夫特理工大学的物理学家汉森及其研究团队有了新的突破。他们专门 设计了实验来消除人们对量子纠缠的质疑,并把实验结果公布于众。在实验中,他们同时测量相距1.3千米的一对纠缠电子——这是一个足够远的距离,任何信号,即使以光速传播,也不可能从一个检测器到达另一个检测器来干扰测量结果。他们还设计出一种方法,可以独立检测被测量的电子是处于纠缠状态的。实验的这两个方面有重大创新意义,消除了先前实验被质疑的主要漏洞。毋庸置疑,新的实验结果与量子力学和贝尔定理的预测完全一致。


现在,量子纠缠基本被认为是被论证了的——至少在证明代夫特理工大学的实验仍有漏洞的确凿证据出现之前(实际上已经有人开始着手找了)。即使有人又发现漏洞,其他研究人员也一定会设计出更先进、更科学的实验来消除漏洞,维护贝尔定理。这种指出漏洞、消除漏洞的循环周而复始,直到没有任何漏洞——或者有人认为那些漏洞太离谱,根本不值得去研究。

对此我非常自信。对纠缠的“鬼魅性”做出直接测量是非常必要的,实际上我们早已相信量子力学是在最微观、最基本的层面对世界做出的正确描述。我们的生活与其息息相关,很多现代技术也建立在其基础之上。用来控制手机、电脑、汽车和其他电子设备的半导体晶体管就建立在电子学的量子力学原则之上,这些原则间接依赖于代尔夫特理工大学实验证实的鬼魅的量子纠缠。所以,不论鬼魅与否,我们的生活都在很大程度上依赖于量子力学。


但量子纠缠是如此不可思议,以至于理解起来很容易产生荒谬的结论。比如,迪派克·库伯拉一直认为,量子力学意味着如果脱离了意识,客观世界就不复存在。但实际上,意识与测量行为毫无关系,测量完全可以由机器甚至光子来进行。如果意识如此重要,我们写实验结果时就要把实验师的内心活动也包括进去。比如说,我们需要知道他们在做实验时是否想着一场艳遇。但我们不需要。无论实验室里面有没有人,机器都会记录数据、打印结果,这些打印出的结果也不会因为人回到实验室而发生改变。

普利策新闻奖获得者玛丽莲· 鲁滨孙曾写文章质疑现代科学的本质和实用性。她在文章中提出,量子纠缠“动摇了人们对时间和空间最基本的理解,也就是对因果性的理解”,“如此一来,人们就会质疑科学解释现实的能力”。其实她有这种错误的想法也不难理解:对一个眼前的电子进行测量会即刻影响到对宇宙另一端的另一个电子的测量,穿行速度超过光速,这种理论看起来的确否定了因果论,也就是人们对时间和空间的常规理解。


但是量子力学的内容远非如此简单。自然界有一个广泛的悖论:让我们的两个实验人员一个身处地球,一个远在银河系边缘的空间站,分别测量纠缠电子的自旋。他们的测量结果是没有任何一个跨越几千光年的测量标准来衡量的。他们都会测量到电子“上旋”或者“下旋”,但是无法说明电子的自旋与别处的电子相关。唯一可以证明电子之间有相互作用的方法是实验人员互相交流,但是通讯速度最快也超不过光速。纠缠电子之间瞬间产生相互影响,但这个过程没有可以即刻探测到的信号。要探测这个过程,还是要遵循因果关系的基本理论。

量子力学揭示了自然界最微小层面上的鬼魅之处。如果我们留意观察,就可以感受到这种诡异性。但量子力学并非预示着世事难料,在量子力学时代,决定宇宙的基本规律并没有消失。量子纠缠理论最大的鬼魅之处莫过于它和我们对宇宙的宏观理解可以完美对接。


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