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通俗地解读量子纠缠现象:这种幽灵般的超距作用如何产生的?

发布时间:2019-07-13 10:19:49  作者:宇宙探索  来源:宇宙探索  阅读:178

      量子纠缠很不同却也难以理解,不过也有方法可以让它很容易被理解。
      加拿大多伦多大学的艾玛尔(Amar Vutha)的解释如下:
    通俗地解读量子纠缠现象:这种幽灵般的超距作用如何产生的?
      图解:纠缠是粒子性质间的一种“量子纠正”。(示意图如上)
      量子计算机、量子密码学和与量子相关的东西都经常在新闻中被报道。关于他们的文章不可避免的都会提到纠缠,量子物理学的性质使得这些神奇的装置成为现实。
      爱因斯坦将纠缠称为“幽灵般的超距作用”,这个名字逐渐被人们了解认识。远远超过建造量子计算机、在其他方面理解和利用纠缠也是非常有用的。
      举个例子,它可以用来测量引力波得到更精确的数据,是我们更好理解特殊材料的性质。它在其他领域也可以更准确的揭露:我一直研究粒子是怎么彼此碰撞形成纠缠,想理解它是如何影响原子钟的精确程度。
    通俗地解读量子纠缠现象:这种幽灵般的超距作用如何产生的?
      但是什么是纠缠?有什么方式可以理解这种“幽灵”现象?我将尝试通过组合两个来自物理学的概念来解释它:守恒定律和量子叠加。
      守恒定律
      守恒定律是所有物理学中最普遍最重要的概念。能量守恒定律是说一个封闭(孤立)系统的总能量保持不变(它可以转换成电能、机械能或者热能等其他能量)。这个定律是我们所有机器运作的基础,不论他们是蒸汽机还是电车。守恒定律像是一种会计账户:你能改变周围少量的能量,但是总量必须保持一致。
      动量守恒(动量是质量乘以速度)可以解释两个不同体重的滑冰运动员互相推开彼此,两人中体重轻的那个人可以滑的更快更远。这条定律也解释了那个著名的格言:对于每一个力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。(再一次拿滑冰运动员举例)角动能守恒则解释了一个旋转的滑冰运动员可以通过抓住她的手臂让自己更快的接近她。
    通俗地解读量子纠缠现象:这种幽灵般的超距作用如何产生的?
      法国的花样滑冰运动员加布里埃拉·帕帕达吉斯(Gabriella Papadakis)和吉约姆·西泽龙(Guillaume Cizeron)2019年在白俄罗斯举行的欧洲花样滑冰锦标赛证明了守恒定律的影响(如上图)
      这些守恒定律已经通过实验证明了在宇宙中的大范围里他们都是起作用的,这个大范围从遥远星系里的黑洞一直到最小的旋转电子。
      与量子有关的补充
      想象你自己在森林中有一个美好的徒步旅行。你在小路上遇到岔路,不过你无法决定到底走左边还是右边。通往左边的小路漆黑但尽头有美景;通往右边的小路阳光明媚但路途崎岖。你最后决定走右边,但仍心心念念左边那条路。在量子世界中,你两条路都可以选择。
    通俗地解读量子纠缠现象:这种幽灵般的超距作用如何产生的?
      对于量子力学系统(其中所有的东西都是完全与高温和外部扰动分离),里面的规则更是有趣。像是抽陀螺,举个例子,一个原子可以保持顺时针旋转,亦或者保持逆时针旋转。尽管和抽陀螺不像,它仍然可以保持[顺时针旋转]+[逆时针旋转]的状态。
      量子系统可以加到一起也可以减去。从数学角度说,组合量子态的规则同样可以被描述成向量的加减规则。对于这样一个量子态组合,这个世界是叠加重合的。在奇怪的量子效应背后你可能听说过双缝实验或者波粒二象性。
    通俗地解读量子纠缠现象:这种幽灵般的超距作用如何产生的?
      你决定迫使一个有[顺时针旋转]+[逆时针旋转]叠加态的电子去得到一个准确答案。然后自由旋转的电子要么[顺时针旋转状态]停止,要么[逆时针旋转状态]停止。两种结果的几率是很容易计算的(在手边有一本好的物理书)。如果你的世界观要求这个宇宙完全按照预测的方式运行,那这个过程内在的随机性会让你困扰。不过……这就是人生(实验测试)
      守恒定律和量子力学
      现在我们把这两个组合在一起,并将能量守恒定律应用到一对量子粒子中。
      想象一对量子粒子(原子)从总数为100单位能量开始。你和你的朋友分开这一对粒子,各带一个。你发现你有40单位的能量。通过能量守恒定律,你推断你的朋友一定有60单位的能量。你一知道你自己的原子能量,一定也就知道你朋友的原子能量。即使你朋友一点信息也不告诉你,你也会知道。即使在你测量原子能量的同时你的朋友在星系的另一边,你也还是会知道。关于它们没什么可怕的(一旦你认识到这仅仅是相关关系而不是因果关系)。
    通俗地解读量子纠缠现象:这种幽灵般的超距作用如何产生的?
      但是这一对原子的量子状态可能更有意思。这对原子的能量可以被划分成许多种可能的方式(当然,也符合能量守恒定律。)这对原子的组合状态是一个叠加重合,举个例子:[你的原子:60单位;你朋友的原子:40单位]+[你的原子:70单位;你朋友的原子:30单位]。
      这是两个原子的纠缠态。既不是你的原子,也不是你朋友的原子,在这个叠加态上能量的明确的。然而,由于能量守恒定律这两个原子的性质是有关联的:他们的能量合计总是等于100单位。
      举个例子,你测量原子发现它有70单位的能量,你可以确定你朋友的原子有30单位的能量。即使你朋友不告诉你任何信息,你也会知道。多亏了能量守恒定律,即使你朋友在星系的另一边你也会知道你朋友的原子能量。