量子纠缠到底是什么呢?
一提起量子纠缠,相信很多朋友都听说过。这个概念是量子力学里面的,当我们研究微观世界就会用到这个概念,但是量子纠缠到底是什么?今天我来谈谈这个问题。
首先要明白微观世界和我们宏观世界有一个很大差别,微观世界里面一切都是概率,这个我在前面的文章中已经反复提到过。什么叫一切都是概念?就是说一个微观粒子此时在哪不知道,只能说在某某位置的概率是多少,一个微观粒子此时速度是多少不知道,只能说速度是某某的概率是多少。所以当微观世界一切用概率来解释,就使得我们对微观世界的预测出现了“不确定性”。
这里有一个关键大家要注意,比如当微观粒子未被观察前,到底处于啥状态我们并不知道,这里就有两种可能,第一种就是微观粒子处于一个固定的位置和一个固定的速度,第二种是微观粒子处于所有位置并拥有多种速度。这两种可能哪种可能性更大?不言而喻,肯定是第一种。因为我们的宏观世界就是属于第一种,当你观察一个小球之前,小球肯定是拥有一个固定的位置和速度的,你观察后只是“发现”了小球的参数而已,换言之你不去观察,小球此刻的速度和位置肯定也是不会变化。这就是宏观世界的确定性特征。
但是到了微观世界,物体被观察前却处于刚刚说的第二种可能性,也就是微观物体处于任意位置并拥有任意速度。但是这种类似超能力的状态我们如何表达呢,于是物理学家发明了一个概念“叠加态”,表示被观察前微观粒子处于多种状态的叠加,每个状态都分到一定的概率。这样一来概率和叠加态就能结合起来一起完整得描述微观物体了。
那么量子纠缠是如何产生的呢?其实就起源于这个叠加态,叠加态的出现使得微观粒子被观察前可以拥有多个位置和速度,相当于微观世界自己出现了多个分身,每个分身都拥有一个位置和速度。但是这个分身状态会在你观察的一瞬间马上消失,变成一个微观粒子且只拥有一个位置和速度。也就是说你对其的观察会导致这种“分身状态”消失,变成我们宏观世界能理解的一个固定态(也叫本征态)。
那么为啥这个过程会产生量子纠缠呢?因为当你未观察前,微观粒子虽然同时处于多个位置,但是每个位置分到的概率值不同,这些概率值和位置信息有密切关系,可通过薛定谔方程求解出来。但是你一旦去观察,假设找到了微观粒子正在A处,那么A处出现微观粒子的概率值瞬间变为100%,其余地方概率值瞬间变为0%。也许你对这个概率值的突变不会觉得好奇,因为已经知道微观粒子在A处,那肯定A处概率值是100%,其余地方变为0%,我们宏观世界不也是这样的吗?
如果你这样理解,的确没错,但是问题的关键在于这里出现了概率值的突变。假设此时A位置和其余位置相隔很远很远会发生啥情况?你去观察A处,很远处的概率值也会瞬间变为0%,也就是说你对A位置的某个操作,竟然超越了时间和空间的限制,瞬间影响到了远在天边的地方的状况。
这种瞬间作用是不符合爱因斯坦“光速上限”规则的。有了这种瞬间改变远方概率值的能力,那么就会出现一种情况,比如一个光子经过BBO设备(BBO可以使得一个光子分开成2个能量减半的光子),就会产生2个光子,这两个光子就会出现所谓“纠缠态”,我们假设其中一个叫A光子,另一个叫B光子,在你们对这两个光子进行观察前,这两个光子都处于叠加态,当你对A光子进行检测,发现A光子是偏振向上,那么这个检测过程会瞬间影响到B光子,让B光子的偏振变为向下。也就是说对A的测量已经直接影响到了B,这就是量子纠缠。
但是以爱因斯坦为首的众多科学家并不认可这个瞬间作用,认为肯定是有某种隐变量未被我们发现,而且这个作用也是需要花费时间的。所以有很多物理学家开始研究这个纠缠态的内在机理,企图从原理上说明纠缠态的瞬间作用是不存在的,纠缠态的作用过程肯定是有一套自己的内在机理。无数科学家抓狂的研究,但是也没能找到这个内在机理,其实目前的科学实验已经证明了这个纠缠态的瞬间作用的确是存在的,也就是说对A测量的确是瞬间影响到了B,这个影响过程没有花费时间。
但是纠缠态是如何瞬间影响远在天边的地方,这个目前科学家尚无定论的,但是至少我们明白一点,利用量子纠缠,我们可以向远在天边的人们传递一些信息,比如我对A输入01001,那么纠缠态的另一边就会收到10110,这个传递过程没有传递有质量的物体,却传递了信息,为我们的沟通手段提供了一种全新的方式。