08 量子纠缠:世界存在鬼魅般的超距作用吗?
你好,欢迎来到《给忙碌者的量子力学课》,我是李剑龙。
你还记不记得这两个词:一个是实在性,你不看月亮的时候,月亮仍然是存在的;一个是局域性,我在北京干一件事,这件事不会瞬间影响到上海,影响速度不能超光速。
爱因斯坦认为,在量子力学中,这俩特性必须同时成立。
在前两讲中,物理学家通过实验告诉我们,它俩不能同时成立。后来又有实验表明,爱因斯坦设想的实在性也不成立。那么现在只剩下一个问题,局域性还能不能成立呢?
为了回答这个问题,这一讲我们来学习一个量子力学特有的概念,量子纠缠。
量子纠缠最早是爱因斯坦提出来的。他把它称作鬼魅般的超距作用。是什么意思呢?
有人说,量子纠缠就像心灵感应,你对一个粒子做测量,另一个粒子无论在哪里,都会瞬间响应,中间不需要任何时间,这是一种超光速的现象。
这就奇怪了,任何物体都不能超光速,这是爱因斯坦自己在相对论里提出来的啊?怎么他把自己推翻了呢?量子纠缠到底超不超光速呢?
1 量子纠缠就是瞬间推断
我们先来说说量子纠缠到底是什么意思。
假如两个粒子形成了量子纠缠,我只要测量其中一方的状态,就能瞬间推断另一方此刻的状态。我敲个黑板,我说的是瞬间推断,不是说我决定了另一方此刻的状态。
咱们拿爱因斯坦和玻尔打个比方吧。他们形成了一个心情上的量子纠缠。
不管他们离着有多远,就算一个在美国,一个在欧洲,他俩的心情都能保持绝对的相反。玻尔如果心情好,爱因斯坦肯定心情难受;玻尔如果难受,爱因斯坦肯定心情好。
但他俩心情到底是什么样的,你得问了才知道。不问他们,他们就同时处于好心情和坏心情两种状态。如果你问了其中一个,就能瞬间推断另一个心情好不好。
在这里,我要纠正一下你可能有的误会。
可能你会以为,纠缠的物理状态只能是相反的,其实不是。比如电子的自旋方向,两个电子如果有纠缠,自旋可以方向相反,一个朝上,另一个朝下;也可以方向相同,要么都朝上,要么都朝下。
还有一个误会是,好像只能是2个粒子纠缠,其实3个也行,N个粒子都行。Google的量子处理器,就是53个量子在纠缠。
好,咱们回到爱因斯坦。如果此刻爱因斯坦在我面前,他一定会说,相对论说了,任何影响速度都不能超光速。此刻的你只受到此刻身边事物的影响,不受远处任何事物的影响,这叫作局域性原理。如果量子力学认为,测量会瞬间改变两个粒子的状态,就违反了局域性原理,肯定错了。
所以,爱因斯坦认为,量子力学要对,我的局域性原理就错,相对论也错了。我的相对论要是对,你量子力学必然错。这俩理论不能同时成立。
爱因斯坦当初提出量子纠缠,目的就是为了证明量子力学有错。
不过,这都是空对空的讨论。在判断谁对谁错之前,我们还是应该看看实验怎么说。
2 相对论依然成立,但局域性却不成立了
实验是这样的。物理学家从一个地方发出一对量子纠缠的光子,我们还是把它们想象成爱因斯坦和玻尔。
这哥俩走过相同的距离,分别到达在北京和深圳的两栋房子里。但他俩纠缠的不是心情,而是这么一种关系:如果你看到老爱在北京这边的1楼,那玻尔就一定在深圳那边的2楼;如果看到老爱在2楼,那么玻尔一定在1楼。
我跟你说一个测量的思路,但这个思路不是物理学家操作的真实逻辑,只是便于你理解物理学家的想法。
比方说,你现在在北京测了一下爱因斯坦,我在深圳,看玻尔的状态突然跑到1楼了。那我用从北京到深圳的距离,除以这两个事发生的时间差,就能算出这种影响的传播速度。
这个传播速度有多快呢?从2000年开始,几组物理学家,做了各种不同的实验。结果都发现,这个速度的下限,最慢的也超过了光速。而且也有可能,这个速度根本没有上限。
你看,实验证明,量子纠缠违反了我们刚才说的局域性原理。
但是另一边的相对论呢,也有无数的实验证明,光速确实是所有物体和信息的速度上限,不可能有东西超光速,局域性必须成立。
那你说这怎么办?通常情况下,结论相互矛盾的两个理论,我们必须二选一,必然有一个是错的。但现在它们两个都被实验证实,我们没得选了。
这就把我们逼到了第三种可能:这两个说法都对,但它们有各自不同的适用范围。
我来解释一下这第三种可能性。其实,爱因斯坦对量子纠缠超光速的理解是错误的。
他以为的情况是,测量北京的那个人时,那个人会偷偷给深圳的人发消息,让后者跟他保持一致。测量一个人,就瞬间影响了另一个人,这种影响超光速了。
但现实不是这么回事,其中并不存在影响,而只是存在某种关系。
这就像一个航天员跟妻子闹矛盾,跑到火星上躲了起来。他妻子上法院起诉离婚,法院批准,离婚就瞬间生效了。这个生效速度无视任何距离。就算航天员跑到银河系外面,离婚也是瞬间生效的。
所以,测量的影响不能超光速,但断绝关系完全可以超过光速。
知道这一点,量子纠缠的事你就好理解了。你测量其中一个粒子,就能瞬间推断另一个粒子的测量结果。这就好比航天员的妻子把字一签,法院一盖章,我们就能瞬间推断航天员现在是单身了。
在这个过程中,我们没有以任何方式朝另一个粒子发出任何信号,虽然违反了局域性,但并不违反相对论。也就是说,相对论不等于局域性。有了量子力学以后,相对论还在,但局域性却不成立了。
那局域性和相对论到底是什么关系呢?
3 从信息的角度理解量子纠缠的整体性
我们下面从信息的角度,再来理解一下这个问题。
我得先说一下,爱因斯坦误解量子纠缠的根本原因。这还是要回到咱们课程里反复提到的那个词,波粒二象性。
爱因斯坦还是在用单纯的粒子视角,看待量子纠缠。他总觉得,他是他,玻尔是玻尔,这是两个独立的人。所以,你一测量他就瞬间知道玻尔的状态,那他必然偷偷给玻尔发消息。
但真正的情况不是这样的。如果你从波粒二象性的视角出发,用数学公式波函数把它们的状态写出来以后,就会发现,只能写出一个波函数。也就是说,它们是一个波,是一个整体。
你测量了一个整体的两个部分,发现结果存在关联,根本没什么可奇怪的。
这就好比老爱和玻尔哥俩在玩跷跷板,你发现一个人在地面时,另一个一定在空中。这是因为两个人不是两个孤立的个体,他们通过跷跷板联系了起来。
原来我们只关注两个人的状态,却忽略了跷跷板。跷跷板就是他俩之间的关系。个体加上关系,构成了一个整体。量子纠缠指的是这个整体。
如果你是科幻小说迷,听到这里你可能会说:科幻小说不是经常说,量子纠缠能超光速传递信息,这真的可以吗?
我明确地告诉你,这不可能。因为这里涉及两种不同的信息。
一种是必须用波函数才能写清楚的信息,叫量子信息。量子信息描述的是波粒二象性。
另一种是我们平常用的,比如短信、写小纸条这样的信息。这些信息要么通过电磁波,要么通过宏观物体传递,叫经典信息。
相对论说的是,经典信息的传播不可能超光速,但它并不限制量子信息。
这在量子力学中叫作不可通信定理,也就是你不可能利用量子纠缠来超光速传递经典信息。下次你再在科幻片里看到说,我用量子纠缠实现了超光速通信,你可以微微一笑,不必当真。
其实之前我说局域性就是影响超过光速,是为了便于你理解。现在你知道了,局域性强调的是,我只研究北京的粒子,就能把北京的量子信息说清楚。此时此刻深圳的粒子,跟我没关系,我不研究它。
但量子力学说,它们实际上是有关系的,你要想说清楚北京的量子信息,深圳那边得配合你,你才能把它们的关系说清楚,而且这关系里面也包含量子信息。这就叫非局域性。
你现在应该知道,为什么说相对论和局域性不是一回事了。
相对论说的是经典信息不能超光速;局域性说的是,一个地方的人能不能把本地的所有事全都说清楚,超不超光速只是说事过程中要考虑的一种情况而已。
最近几十年,物理学家对非局域性还做了更深入的研究。他们发现,在没有量子纠缠时,非局域性也成立。由于时间关系,我就不详细解释了。你只要知道,量子纠缠具有整体性,但没有量子纠缠时,量子状态照样可以存在整体性。
有很多人说,传统文化强调整体思维,现代科学强调分析思维,比如要把一个整体还原成几个部分,然后逐个分析。但你看,现代科学也有整体思维,量子力学的非局域性就是一种典型的整体思维。
划重点
1. 量子纠缠表现为,如果你测量A粒子,就能瞬间推断B粒子的测量结果,不论B粒子离你有多远。
2. 量子纠缠的过程是超过光速的,但并不违反相对论,它们之间并不传递经典信息。
3. 量子信息是非局域的,它的本质还是波粒二象性。
最后留一个思考题。除了量子纠缠之外,你还听说过哪些科学现象,需要用整体思维来研究呢?留言说说你的思考。
到这一讲为止,我们讲了量子世界的一大堆性质,但这些性质好像只能在微观世界看到,它们在宏观世界也存在吗?我们下一讲见。
网友互动
什么是量子纠缠?
简单来讲就是:粒子(比如:光子、电子)瞬间同步状态,无论距离。这就好像一对双胞胎,一个在地球,一个在火星。在地球上的哥哥摔了一跤,瞬间同一时刻火星上的哥哥也摔了一跤。
量子纠缠不仅仅指两个粒子,可能是多个粒子纠缠在一起。
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现在,问题来了?
1)如何制造量子纠缠?
2)最多可以几个粒子量子纠缠?
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如何制造量子纠缠?
拿光子举例,简单来讲就是分裂光子。
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格拉斯哥大学的研究人员使用的是光子。他们设计了一个实验系统:一个波长为355纳米的紫外光子通过了偏硼酸钡(BBO)晶体后,变成了两个710纳米的红光光子。随后,他们使用分束器让这两个波长为710纳米的光子分离,它们各自沿着光学系统中的两条不同的光路传播。这两条光路的长度不一样,因此可以调节两个光子达到探测器的时间差。
这两个分道扬镳的光子,就是一对纠缠光子。
)
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最多可以几个粒子量子纠缠?
不知道
作者
回复
是的!让一个光子通过一种特殊的装置,分裂成两个光子,这是一种非常典型的制备量子纠缠光子对的方法。
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我用课程中的例子来构建一个场景:我和老师事前约定,老师在深圳,看到玻尔在一楼,老师就出门买菜。看到玻尔在二楼,老师就在家看电视。我在北京如果想让老师出门买菜,就采用某种方法把爱因斯坦强制拉到二楼。这样不就实现了超光速传递经典信息了吗?如果爱因斯坦在北京,玻尔在宇宙的边缘,这样也可以超光速传递经典信息。请问老师,上述场景存在吗?为什么?
作者
回复
不对。你对量子纠缠的其中一方粒子测量时,得到的结果是概率性的。所以,你并不能通过这种方法传递确定的信息。如果你传递的是不确定的内容,那么根据经典信息的定义,它的信息量等于0。所以,量子纠缠无法超光速传递经典信息。
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除了量子纠缠之外,你还听说过哪些科学现象,需要用整体思维来研究呢?
蝴蝶效应。。。
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能马上想到的就是统计力学描述温度的概念,把分子平均动能看做一个整体来研究,而不是单独去研究单个分子。再比如各种混沌系统的研究,如N体问题,研究一个复杂运动系统相互作用如何保持稳定。
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受力分析,A物体在B物体上面,拉动B物体时AB物体的受到力的大小
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