虽然已经发展了100多年,量子力学仍旧是物理学上的前沿理论,最主要的原因在于人类完全没有搞懂量子力学的本质和底层逻辑。

说白了,科学家们知道量子世界的诡异现象的确存在,但并不知道这些诡异现象为什么会存在,最根本的是,这些诡异现象好像都违背了我们的宏观物理法则。

打开网易新闻 查看精彩图片

比如说量子纠缠现象,科学家们深入研究发现,量子纠缠的速度是极快的,甚至可以说是瞬间传递的,速度超过光速的10000倍。

打开网易新闻 查看精彩图片

但是在我们的宏观世界,存在着速度限制,也就是光速限制,任何物体和信息的传递速度都不可能超过光速,这一点在爱因斯坦的狭义相对论里早就提到了。那么,为什么量子纠缠的速度如此之快,可以“超光速”传递?是不是违反了爱因斯坦相对论呢?

首先,我们来看看什么是量子纠缠。

打开网易新闻 查看精彩图片

物理学上是这样定义的,当两个或多个粒子发生相互作用后,单个粒子所拥有的属性综合为整体性质,这时候就无法单独描述单个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,这种现象就被称为量子纠缠。

量子纠缠概念的提出是基于爱因斯坦等人对不确定性原理的质疑和抨击,爱因斯坦等人对哥本哈根学派提出的不确定性原理感到非常不满。于是1935年,爱因斯坦,波多尔斯基和罗森三人联合发表了论文《论量子力学描述的不完备性》,其中就提到了量子纠缠。

在微观世界里,某些粒子发生相互作用后,就会出现纠缠现象。举个例子,当物体发生衰变,释放出电子和正电子,原来的一个系统就会发生分离,成为两个单独的系统,也就是电子和正电子,两者的云顶方向是相反的,合力为零,自旋方向相反。

打开网易新闻 查看精彩图片

在观测之前,我们并不知道电子和正电子的自旋方向,只知道两者的自旋方向是相反的。

根据哥本哈根学派的解释,在我们观测之前,电子和正电子的自旋方向其实是不确定的,注意,这里的不确定并不是说“不知道”,而是完全不确定,说白了就是处于“叠加态”,自旋方向同时朝上和朝下的“叠加态”。

打开网易新闻 查看精彩图片

当我们想看看电子的这种“叠加态”到底是什么状态时,在我们观测的一瞬间,电子就会从“同时朝上和朝下”的自旋状态,坍缩为“要么朝上要么朝下”的唯一自旋状态。同时,正电子的自旋方向也会瞬间确定下来,并且与电子的自旋方向相反。

这其实就是我们通常所讲的“观测行为导致波函数坍缩”。这里有必要强调一下,波函数坍缩其实是一个假设,也可以认为是公理。说白了,科学家们只是根据观测结果来倒推之前的过程,并用一个假设来定义最终的结果,这个假设就是波函数坍缩。

打开网易新闻 查看精彩图片

至于观测行为为何会导致“波函数坍缩”,抱歉,这个问题科学家们也是不知道的,就如同对量子力学的了解程度一样,科学家们只知道观测确实会导致波函数坍缩,因为结果就是那样的,但不知道为什么。

不过爱因斯坦等经典物理学的坚定拥护者,坚决反对哥本哈根学派的解释,认为世界不应该是不确定的,世界是可描述,可预测的。

爱因斯坦用两只手套的关系来解释量子纠缠。假设有一副手套,分别被装在两个密封的盒子里。不管这两个盒子相距多远,我们打开其中一个盒子,发现是左手套,那么立刻就知道另外一个盒子里装的是右手套。

打开网易新闻 查看精彩图片

这两只手套就相当于某种“纠缠状态”,按照爱因斯坦的解释,手套的状态是确定的,只是我们不知道而已,无论我们是否打开盒子去观测,盒子里该是左手套就是左手套,与我们的观测无关。

而按照哥本哈根学派的解释,盒子的到底是左手套还是右手套是不确定的,不但不确定,而且还是处于“叠加”状态。也就是说,盒子里的手套一直都处于“既是左手套又是右手套”的叠加状态,在我们打开盒子观测的一瞬间,手套就从叠加态坍缩为唯一的确定状态:要么是左手套,要么是右手套。

就好像两只手套串通好了一样,能够瞬间告诉对方:我现在坍缩为左手套了,你感觉坍缩为右手套!

这太违背我们的日常生活经验了。

打开网易新闻 查看精彩图片

别的不说,单单是两只手套之间的“串通”方式和过程,就足够让我们惊讶的了。而这种“神秘”的串通方式,也被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”,理论上完全超过了光速。但在爱因斯坦的相对论体系下,光速是所有物体的速度极限。这也是为什么爱因斯坦坚决范围哥本哈根学派不确定性和叠加态的主要原因。

薛定谔也坚决支持爱因斯坦的观点,认为不确定性和叠加态是荒谬的,甚至提出了一个著名的思想实验来质疑并讽刺哥本哈根学派,这个思想实验就是“薛定谔的猫”,之前有过详细讲述,这里就一带而过了。

这里最大的问题是,量子纠缠的速度为何这么快?是不是违反了相对论呢?

首先我们需要肯定的一点是,量子纠缠现象确实存在,而且早就应用在人类社会。只是爱因斯坦和波尔为首的哥本哈根学派对量子纠缠的解释不同罢了。

其实,严格来讲,量子纠缠谈不上速度,因为整个过程是瞬间完成的。往深了讲,量子纠缠中的两个或多个粒子,其实还是等同于一个“粒子”。或者也可以这样通俗理解,当两个或多个粒子发生纠缠之后,它们就不是原来的粒子了,而是合并为一个“大粒子”,这时候当然无法描述两个粒子之间的关系了,只能描述整体属性。而这一点在量子纠缠的定义中也有明确说明。

打开网易新闻 查看精彩图片

退一步讲,量子纠缠的速度确实远超了光速,但并没有违反爱因斯坦相对论,因为整个过程并没有传递任何信息。

而平时我们听到的量子通讯,当然不是通过量子纠缠作用进行超光速传播信息,更多的只是为了给信息加密,让信息更安全,理论上无法破解。

我们都知道,现实中我们给文件信息施加的任何密码,其实都是人工编造出来的,看似杂乱无章没有规律,其实仍旧是有规律的。理论上只要我们用电脑进行暴力破解,无论多么强大的密码系统,最终都能破解。

而用量子纠缠现象给信息加密,就不可能破解了。因为密码本身就是完全随机生成的,甚至在观测之前连自己都不知道密码是多少,怎么可能被破解呢?

虽然不知道密码是多少,但发送信息的人可以给接收信息者发送一串密钥,然后把加密好的信息传输给接收者。实际上这就是“量子密钥分发”,并不是超光速传递信息,而是给信息加密。

打开网易新闻 查看精彩图片

而且由于量子纠缠过程,任何观测行为都会导致“波函数坍缩”,让纠缠过程停止。因此,如果有任何人试图窃取信息,就必须进行观测行为,当然这里的观测并不单单指用眼睛看。而观测就会导致量子纠缠的中止,势必会引起信息发送者的注意:有人试图窃取信息!

总之,量子纠缠的确远超光速,但并不会传递任何信息,也不可能让人类实现“瞬移”。

打开网易新闻 查看精彩图片

当然,某种程度上讲,我们又的确可以利用量子纠缠现象实现“瞬移”,我这样讲并不是前后矛盾,只是需要首先把人体的所有信息传递到想要瞬移的某颗星球上,这个过程仍旧是传统信息传递,还是光速传递。然后利用量子纠缠现象,在那颗星球上制造出与人体形成纠缠态的微观粒子,再进行重组,就可以实现“瞬移”!