什么是量子纠缠,为什么它的速度可以超光速,难道违反了相对论?

B站影视 欧美电影 2025-10-17 09:24 1

摘要:现代科学认为,我们的地球诞生于46亿年,当时太阳系一片混乱,太阳诞生以后吸收了周围大量的物质,所以太阳的质量占到了总质量的百分之99.86,剩下的八大行星和其它物质占到了太阳系总质量的百分之0.14,从占比上我们就能够看出,太阳的质量非常大,不过在八大行星当中

现代科学认为,我们的地球诞生于46亿年,当时太阳系一片混乱,太阳诞生以后吸收了周围大量的物质,所以太阳的质量占到了总质量的百分之99.86,剩下的八大行星和其它物质占到了太阳系总质量的百分之0.14,从占比上我们就能够看出,太阳的质量非常大,不过在八大行星当中,地球是唯一一颗诞生了生命的星球,生命的出现给地球增添了很多色彩,尤其是人类出现以后,解开了地球上很多的奥秘,现在人类已经能够走出地球探索宇宙,这说明人类科技发展的速度很快,人类能够有如此之快的发展速度,离不开科学家做出的贡献,在人类历史上出现了很多伟大的科学家,比如说牛顿、伽利略、霍金、爱因斯坦等等。

牛顿是人类科学史上的奠基者之一,其伟大之处核心在于以数学为工具统一了天地间的运动规律,彻底改变了人类对宇宙的认知范式。他提出著名的牛顿三大运动定律(惯性定律、加速度定律、作用力与反作用力定律),并发现万有引力定律,首次用同一套理论解释了地面物体的运动(如苹果落地)和天体的运行(如行星绕日),构建了经典物理学的基础框架。当时经典物理学已经能够解释世界上很多的问题,比如说在远低于光速的情况下,牛顿定律能够精准的解决所有的机械运动问题,电磁现象的规律被总结为麦克斯韦方程,光的现象可以被波动理论完美解释,热现象能够被热力学和统计物理学解释,看上去好像一切问题都已经解决了,就在很多人认为人类即将解开世界奥秘的时候,科学家突然发现经典物理学无法解释微观世界的秘密,所以科学家创立了量子力学。

量子力学是由普朗克、玻尔、海森堡、薛定谔、德布罗意、费米、狄拉克、爱因斯坦等众多科学家一起创立的,量子力学是描述微观物体的理论,和相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱,在量子力学当中,有一个非常神奇的现象,这个现象就是量子纠缠,它是量子力学中最神秘、最反直觉的现象之一,也是现代量子科技发展的核心基石,他描述的是两个或者多个粒子在某些条件下形成一种特殊的关联状态,使得它们的状态无论相隔多远,都能够瞬间影响,这种现象超越了经典物理学的直觉理解,爱因斯坦将其称为是“鬼魅般的超距作用”,想要了解量子纠缠,就需要了解量子态的基本特征。

在经典物理中,物体的状态是确定的,例如一个硬币要么是正面朝上,要么是反面朝上。但在量子世界中,粒子可以处于“叠加态”,即同时具有多种可能状态的组合。例如,一个量子比特可以同时是0和1的叠加。当两个或多个粒子发生相互作用后,它们的量子态可能变得不可分割地联系在一起,形成纠缠态。此时,无法单独描述其中一个粒子的状态,而必须将整个系统作为一个整体来描述。量子纠缠最让人惊讶的是“非局域性”,根据经典物理的局域实在论,物体只能够被其周围环境直接影响,信息传递速度不能够超过光速,然而纠缠粒子之间的关联似乎打破了这个限制,在1964年的时候,物理学家约翰.贝尔提出了贝尔不等式,为检验局域隐变量理论提供了实验依据。

随后多次实验结果都违反了贝尔不等式,支持量子力学的预测,证明了量子纠缠的非局域性真实存在的,而非某种未知的隐变量所决定。值得注意的是,量子纠缠并不能用于超光速传递信息,虽然测量一个粒子会瞬间影响另一个粒子的状态,但是这种影响是随机的,无法被人为控制,接受方式无法通过观测自身粒子的状态来得知对方是否进行了测量,因此无法传递有意义的信息,这保证了量子纠缠不违背相对论中的信息传递速度不能够超越光速的基本原理。在相对论中,任何有质量的物体都无法超越光速,也不可能达到光速,这是因为在牛顿力学当中,物体的质量是恒定不变的,只要施加持续的力,物体就能够不断的加速,理论上能够突破任何速度。

但是侠义相对论颠覆了这个认知:物体的质量分为静止质量和运动质量,运动质量会随着速度增加而变大,物体相对于观测者的静止时的质量,是物体的固有属性,物体相对于观测者运动时,观测到的质量会比静止质量大,速度越快,运动质量就越大,这种质量会随着速度增大效应,核心逻辑是:要让物体加速,必须给它提供能量(比如推箱子需要消耗你的体力,火箭加速需要燃烧燃料)。根据相对论的“质能方程”(E=mc²,其中E是能量,m是质量,c是光速),质量和能量本质是同一事物的不同表现——物体的质量越大,对应的能量也越大,反过来,给物体注入能量,也会等效地增加它的质量。

当物体速度趋近光速时,运动质量趋近无穷大,此时要让它继续加速,需要的能量也会趋近“无穷大”。但现实中,宇宙的总能量是有限的——无论是恒星的核能、星系的引力能,还是人类能制造的所有能源,加起来都远不到“无穷大”。因此,没有足够的能量让有质量物体突破光速,最多只能无限接近光速。到现在为止,科学家还没有发现任何有质量的物体超过光速的证据,这也让光速不可超越成为了现代物理学的基石之一,既然如此,为什么量子纠缠能够超越光速?狭义相对论明确指出:任何携带信息或能量的信号传播速度不得超过光速。这是为了保护因果律不被破坏,即“原因”必须先于“结果”发生。如果信息可以超光速传播,就可能出现“结果”先于“原因”的悖论。

而量子纠缠的精妙之处正在于:它不传递任何可被利用的信息。测量结果是完全随机的。你无法通过操控一个粒子来“发送”特定状态给另一个粒子。例如,在地球上的观察者测量到粒子为“上旋”,他只能推断出远方粒子为“下旋”,但这个结果对他而言是随机出现的,并不能用来编码消息。而远方的观察者在测量前也无法知道自己的粒子是否已被测量,更无法感知“状态已被决定”这一事实。比如说我们将其中一个粒子放在宇宙的最南边,另一个粒子放在宇宙的最北边,只要我们影响宇宙最南边的粒子,那么最北边的粒子也会瞬间感应到,量子纠缠的不同之处在于,粒子的状态在测量之前是真正不确定的,但其关联性在纠缠形成的时候就已经建立。

量子纠缠揭示了自然界在微观尺度上的深刻整体性。在经典世界中,物体具有确定属性;而在量子世界中,属性是在测量时才“诞生”的。纠缠粒子构成一个不可分割的整体系统,即使空间上分离,它们仍属于同一个量子态。测量行为不是“改变”远方粒子,而是揭示了整个系统的内在关联。就像是某些理论所推测,这种瞬时关联可能源于更高维度的结构,或者是宇宙地层信息处理机制的表现,在这种视角下,空间距离只是表象,粒子在更基本的层面上可能并未真正的分离,因此其关联无需穿越空间传播。量子纠缠之所以表现出“超越光速”的特性,是因为它体现的是量子系统的非定域关联,而非传统意义上的信号传播。它不传递能量、不携带信息、不破坏因果律,因此并不违背相对论。

我们所说的“光速不可超越”,指的是有质量物体和信息传递的速度极限,而量子纠缠属于一种更深层次的物理现象,游离于这一限制之外。量子纠缠的最大实现价值,在于为信息技术提供了经典技术无法实现的新能力,直接推动了量子通信和量子计算两大领域的突破。这两大技术被视为下一代信息技术的核心,将会彻底改变人类处理信息的方式,目前科学家利用量子纠缠的“测量塌缩”特性——若第三方(窃听者)试图拦截或测量纠缠粒子,会破坏粒子的纠缠态,导致发送方和接收方立即察觉窃听行为,从而无法获取有效密钥。目前量子通信已进入“实用化阶段”——中国的“墨子号”量子科学实验卫星(2016年发射),成功实现了千公里级的星地量子密钥分发。

地面上,中国已建成“京沪干线”“武合干线”等量子通信骨干网络,用于金融、政务等领域的高安全通信。未来如果随着量子通信网络的普及,人类将拥有“无法被破解”的信息安全体系,彻底解决数字时代的“隐私泄露”“数据篡改”等核心问题,为物联网、区块链、元宇宙等技术的安全发展提供基础。量子技术已成为各国战略竞争的核心领域——美国将量子信息科学列为“国家关键技术”,投入数百亿美元建设量子实验室;欧盟推出“量子旗舰计划”,联合27国推动量子技术研发;中国将量子科技纳入“十四五”规划,明确提出“打造全球量子科技创新高地”。谁能在量子纠缠的应用上领先,谁就能在下一代信息技术、高端制造、生物医药等领域掌握“话语权”,甚至改变全球技术产业链的分布。

随着量子纠缠技术的不断成熟,人类将进入“量子时代”——届时,“无法破解的安全”“秒算复杂问题”“超高精度监测”将成为常态,量子技术将像电力、互联网一样,渗透到生产、生活的每个角落,彻底改变人类的生存方式。小编认为,人类是地球上最有智慧的生命,人类的科技在不断的进步和发展,虽然现在人类还无法解开宇宙中所有的奥秘,但是人类一直都在不断的努力发展,只要人类能够坚持不懈的努力下去,未来随着人类科技的进步,说不定人类能够解开更多的奥秘,小编希望人类能够早日实现自己的梦想,对此,大家有什么想说的吗?

来源:星空承载梦想

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