科普 量子纠缠

科普量子纠缠

量子论被公认为是科学史上最成功的、被实验结果符合最好的理论，但另一方面，它却和人类日常生活的经验如此格格不入。

如今，很多实验物理学家还在验证这一理论在80年前所做的基本假设。物理学家们依然还在为这个理论头疼不已。著名物理学家费曼就曾说：“我敢肯定，现在没有一个人能够懂得量子力学。”尽管已经走过百年历史，它还有无数的谜尚待解开。

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微观与宏观，水火不兼容

物理学家常常会说“传统物理学认为如何如何，量子物理学则认为如何如何”或者“客观现实中如何如何，但量子世界里却如何如何”这样的“鬼话”。量子物理学家告诉我们，物质在被测量之前是不确定的。“不确定性”是量子世界的基本法则。“观测”是在不确定的量子世界和确定的现实之间转化的关键。那么，神秘的量子世界和日常的现实世界到底能否兼容呢？在经典极限情况下，通过合理的近似，量子理论可以自动过渡到经典世界的物理理论。但如何描述这两个世界的交界面，成了量子论过不去的一个坎。直到现在，理论物理学家仍然未能将两者恰当地联系起来。

“哥本哈根学派”认为，物质在被观测之前，是处于一种不确定的叠加态的。为了反驳这种观点，证实量子力学在宏观层面是不完整的，德国物理学家薛定谔设计出物理学史上最著名的动物：薛定谔的猫。

这是一个思想实验：不透明的箱子里装着一只猫，箱子中另外还有一个原子衰变装置，原子会随机发生衰变，一旦衰变发生，就会激发一系列连锁反应，最终打破箱子里的毒气罐而毒死猫，反之猫则活。在打开箱子观测那一瞬间之前，原子的衰变和猫的死活都处于一种叠加态，只有当打开箱子的一刹那，猫的死活才确定下来。所以，在打开箱子之前，猫既是死的，又是活的。问题是，现实中的猫怎么可能是“既死又活”的呢？我们的常识中，猫要么是死的，要么是活的。量子论无法解释现实世界，这成了量子论无数个困惑之谜中最神秘的一点。

“薛定谔的猫”出现之后，物理和哲学界就客观世界和人的意识的决定因素产生了一场大讨论：如果人的观测能决定猫的生死，那是否人的意识也会决定客观世界的走向呢？

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同一个世界，很多个宇宙？

“虽然我支持在无数个宇宙中存在着无数个Sheldon的‘平行宇宙理论’，我还是像你保证，没有任何一个宇宙中的我会和你跳舞。”《生活大爆炸》中，“宅男”Sheldon这么回复美女Penny的邀舞请求。

为了解决与现实世界兼容的问题，无数物理学家尝试了各种理论，最著名的恐怕就是上世纪50年代兴起的“平行宇宙”(多世界理论)。

支持这个理论的科学家认为，“薛定谔的猫”实验中，箱子在被打开观测之前，与其说猫处于一种既死又活的状态，不如说这只猫同时处于不同的“宇宙”中。有的“宇宙”中猫是活的，有的“宇宙”中猫是死的。听起来是不是很奇怪？但这个理论的确成功避开了很多问题，将微观和宏观世界联系在了一起。

然而，即使到现在，这个理论依然如此前卫，令人无法理解。最近20年间，它才开始受到人们的关注，并成为量子力学的热门理论。霍金甚至将这一理论用到解释时空旅行中：因为平行宇宙的存在，时间线产生了分叉，出现了多重“历史”，人们因此可能可以进行时空旅行。这一解释也解决了此前人们在时空旅行中关于“杀死过去的我”的悖论。

现在，“多世界理论”演化出的“时空穿梭”已经成为很多科幻作品中的主题。但这个理论完全是严格遵循数学方程演化得来的结果，其前提认为所有“宇宙”都包容在同一个“时空”中，而这个“时空”是多维度的，霍金所提出的进行“时空旅行”的“虫洞”目前只存在于理论层面，还没有任何物理证据证明其真实存在。

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量子纠缠，挑战光速

“量子纠缠”现象是说，一个粒子衰变成两个粒子，朝相反的两个方向飞去，同时会发生向左或向右的自旋。如果其中一个粒子发生“左旋”，则另一个必定发生“右旋”。两者保持总体守恒。也就是说，两个处于“纠缠态”的粒子，无论相隔多远，同时测量时都会“感知”对方的状态。那么，这两个粒子如何实现瞬间的沟通，这种感知是否是超光速的，这是否违背了相对论呢？

在量子力学中，微观物质很可能的确展现出和日常生活中的常识相悖的情况。“在物理世界中，某些定义的速度是可以超越真空光速的，但是到目前为止，还没有一个可以让人信服的实验结果支持‘物理信号可以超越真空光速’这一论断。”中科院量子信息重点实验室副主任周正威强调。

在现实世界中，不可能在人和石头之间建立某种感应，不经接触就令石头发生改变。但瞬间感应可能发生在量子世界中。爱因斯坦不满地将“量子纠缠”称为“遥远的鬼魅行为”。

20世纪下半叶至今的各类实验中，不断有人证实各种超光速现象的出现。1982年，巴黎大学的物理学家证实，亚原子粒子在向相反方向发射后，在运动时依然可以彼此互通信息。2008年，日内瓦大学的物理学家再次进行类似实验。这次，两个相互感应的粒子距离超过17千米。奥地利科学家蔡林格(Anton Zeilinger)甚至在两个相距144千米的岛屿之间观测到光子的量子纠缠现象。

尽管如此，依然没人能让物理信号超越光速。

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量子论不是

“绝对真理”

量子论是20世纪出现的最成功的理论，它和相对论成为现代物理学的两大基石，但这两个基石之间却互不包容，又都不完整。相对论很好地解释了时空扭曲等问题，改变了人类的时空观；量子论的各种假设虽然不断被实验所证实，它或许也能帮助人类理解宇宙为何凭空而生，但却始终没法解释量子世界和宏观世界的交界面上所发生的一切。

为了将量子论和相对论结合起来，理论界出现了如“量子引力”、“超弦”等更加复杂难懂的理论。可以肯定，如果将来出现一个能替代量子论的理论，它必定能首先解释，为什么现有的各种实验能够如此符合量子理论。

费曼曾说，“我们要记住，或许有一天量子理论会被证明是失败的，因为它和我们日常的生活经验、哲学是如此地不同。”

而理论物理学家曾谨言也在《物理》杂志所发表的《量子物理学百年回顾》一文中表达了他的看法：“迄今所有实验都肯定了量子力学的正确性，但这只表明：它在人类迄今实践所及的领域是正确的。量子力学并非绝对真理。量子力学并没有，也不可能关闭人们进一步认识自然界的道路。量子力学与广义相对论之间的矛盾并未解决。”