解读量子纠缠,量子为何会发生纠缠?

B站影视 2025-01-01 16:59 2

摘要:关于量子纠缠的本质,即便在物理界的权威也尚未完全破解,因此,对于我们普通人而言,深入探讨它,也并非易事。不过,这并不代表我们不能尝试去理解这一神秘现象。在这里,我将通过深入浅出的方式,为您解析这一奇特的物理现象。

关于量子纠缠的本质,即便在物理界的权威也尚未完全破解,因此,对于我们普通人而言,深入探讨它,也并非易事。不过,这并不代表我们不能尝试去理解这一神秘现象。在这里,我将通过深入浅出的方式,为您解析这一奇特的物理现象。

正如您提到的,关于量子力学的理解,物理学界的专家们甚至风趣地指出,如果您觉得自己理解了量子力学,那恰恰表明您可能尚未完全领会其真谛!然而,这并不是科学传播的终点。即便顶尖的物理学家们对于量子纠缠的确切本质了解甚少,但他们凭借丰富的知识储备和卓越的洞察力,他们仍然能够基于现有理论和发现,对量子纠缠的底层逻辑进行推测。

我们首先来回顾一下,何为量子纠缠。根据物理学的界定,量子纠缠指的是,在两个或多个粒子发生相互作用之后,它们原本的特性不再独立存在,而是融合为整体性质。此时,我们无法单独描述每个粒子的特性,而只能阐述整个系统的性质。

量子纠缠之所以被称为“诡异”,是因为无论粒子间的距离多远,它们都能瞬间感知到彼此,这种通信速度甚至超过了光速。对于这一奇特现象,物理学界曾展开激烈讨论,两大主流观点截然不同。

以爱因斯坦为首的经典物理学阵营坚信,量子力学中的这些异常现象,如“鬼魅般的超距作用”,其实质是量子力学本身尚未完善所致。他们推测,肯定有一些未被发现的隐变量在起作用。一旦找到这些隐变量,就能够解释那些令人费解的现象。爱因斯坦的追随者包括著名的薛定谔等。

而与之对立的是哥本哈根学派,以玻尔、玻恩和海森堡等为代表,他们所提出的理论也被称为“哥本哈根诠释”。该诠释的核心观点包括不确定性原理、叠加态以及波函数坍缩等。量子纠缠,不过是不确定性和叠加态的一种具体体现,是量子世界的基本属性。两大学派的辩论持续了相当长的一段时间,直到玻尔和爱因斯坦等大师离世,亦未能得出最终结论。

20世纪60年代,物理学家约翰·贝尔提出了一个逻辑严密的数学不等式,即贝尔不等式。贝尔的理论是,如果该不等式成立,那么爱因斯坦的观点就是正确的,而哥本哈根学派则犯了错误。然而,实验结果表明,贝尔不等式并未成立。

通过反复的实验验证,科学家们最终确定,贝尔不等式不成立。因此,爱因斯坦关于隐变量的假设被否定,哥本哈根学派在这场争论中胜出。

如今,物理学家们已经证实了量子世界中的许多奇异现象,比如量子纠缠、量子隧穿效应和波函数坍缩等。尽管我们不知道为什么会出现这些现象,但这并不妨碍科学家们利用这些特性为全人类的进步服务。

现在,我们来探讨一下物理学家们关于量子纠缠本质的几种推测。如前所述,无论相隔多远,处于纠缠状态的粒子都能瞬间感应到彼此。以测量为例,当我们测量到一个粒子的自旋方向为上时,另一个粒子的自旋方向会立即变为下,整个过程几乎是瞬间完成的。

科学家们通过实验证实了这一点。早在2016年,中国的墨子号量子卫星实验将两个纠缠的光子分隔超过1200公里,结果发现它们依然保持着纠缠状态。尽管我们无法在无限远的距离上验证纠缠粒子的性质,但理论上可以进行分析。

要理解量子纠缠的特性,首先需要排除意识感应的解释。尽管很多人对此颇感兴趣,但这已超出科学认知的范围,主流科学界仍然认为量子纠缠是微观世界的基本属性。

我们可以这样来理解纠缠粒子:它们就像一副手套,不管距离多远,只要确定了其中一只手套的状态,如左手套,那么另一只手套的状态,即右手套,便可立即确定。这个过程并没有传递任何信息,没有人告诉我们另一只手套是右手套。

当然,这只是个类比,实际上,纠缠粒子的性质与手套并不完全相同。纠缠中的粒子状态实际上是未确定的,如果将手套比喻为微观粒子,那么每只手套实际上都处于既是左手套又是右手套的叠加状态!

观测行为会使得手套从叠加态坍缩到唯一的确定状态,如果坍缩为左手套,那么另一只手套会立即坍缩为右手套。

物理学家们还提出了“全同粒子”的概念来解释量子纠缠现象。全同粒子是指具有完全相同内禀属性的粒子,如电子、质子、中子和光子等,它们可以是基本粒子,也可以是由基本粒子构成的复合粒子,如阿尔法粒子。

纠缠中的粒子就如同全同粒子,本质上是一个粒子,而不是两个独立的粒子。因此,纠缠中的两个粒子无法单独描述单个粒子的性质,而只能描述整个系统的性质。

用量子场论的概念来理解,粒子的本质实际上是波,通俗地说就是“能量包”。纠缠中的两个或多个粒子只是波的某种表现形式。在理论上,波可以延伸至无穷远的地方,而任何形式的观测都会导致波发生坍缩,成为确定状态,即我们所见的粒子。

当然,以上的解释也只是基于现有理论的假设,并没有直接的实验证据支撑。还有更为大胆的猜想,认为量子纠缠现象可能只是高维度在低维度上的投影所导致的。这种猜想虽然大胆,但更难以通过实验验证,了解这些有助于拓宽我们的思维视野。

最后,我们需要澄清一个关于量子通信的常见误解。

许多人认为量子通信是利用量子纠缠现象进行超光速的信息传递,实际上并非如此。任何信息的传递都不可能超过光速,这是不容置疑的。量子通信的主要目的并非传递信息,而是利用量子纠缠现象进行量子密钥分发,换言之,就是给信息加密,以保障信息的安全。

传统的加密方式,无论密码多么复杂,理论上都有可能被破解。但是利用量子纠缠现象进行信息加密则不存在被破解的可能性。因为量子的状态本质上是不确定的,是完全随机的,而我们在现实生活中遇到的所有随机行为实际上都是伪随机,有其规律可循。但在量子世界中,一切皆为真正的随机,毫无规律可循。

同时,如果有人试图窃取信息,必须进行某种形式的观测,而任何观测行为都会引起量子发生坍缩,量子状态的改变一定会引起信息发送者和接收者的注意,使窃取行为无法得逞。

来源:宇宙怪谈

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