量子纠缠的原理是什么？为什么能超光速1万倍？爱因斯坦无法理解

 

量子纠缠到底是什么？为什么能超光速至少1万倍？这篇文章会详细地为小朋友们讲清楚其中涉及的知识点。

 

从量子理论的基础现象，到量子纠缠的原理，再到量子纠缠的验证，最后再到量子纠缠的物理本质。

 

 

文章比较长，希望你能耐心看完，这会帮助你建立起对量子纠缠的全面认识。

 

要彻底搞清楚量子纠缠，还是得先从量子力学的基础寻找答案。

 

了解过量子力学的人肯定都听过波粒二象性和叠加态这两个词。

 

波粒二象性就是说，比原子还小的那些粒子，同时具有两种状态，这些粒子不仅像粒子，也像波。

 

 

粒子的波动性和粒子性会叠加在一起，也就是叠加态。

 

但是叠加态不单单指的是波粒二象性，还有自旋，偏振，位置，动量等其他物理性质的叠加态。

 

总之一句话，你只要不测量这个粒子，人家就一直处于各种叠加态中。

 

如果听懂这些，那量子纠缠就很容易理解。现在我们知道：每个单独的粒子都具有叠加态。

 

那你再想，如果两个粒子通过某种方式组合在一起，那这两个粒子的叠加态 是彼此独立的，还是相互缠绕的？

 

 

答案是相互缠绕的。

 

那如果一个单独的粒子衰变成两个更小的粒子，那这时候这两个粒子的叠加态是彼此独立的，还是相互缠绕的？

 

答案依旧是相互缠绕的。

 

两个粒子如果一开始具有某种共同的关系，那么即便两个粒子分开，其叠加态也是缠绕在一起的。而量子纠缠正是这种叠加态相互缠绕的体现。

 

比如，一个具有0自旋的粒子突然衰变了，变成了两个粒子，那么这两个粒子由于都是由同一个粒子衰变而来的，所以在初始状态就建立起联系了。

 

未来，不管这两个粒子距离有多远，这种联系会一直存在，具体表现就是叠加态的相互缠绕。这时候，这两个粒子就是彼此的纠缠粒子。

 

纠缠粒子之间的叠加态会超越空间和时间进行相互作用。

 

 

现在注意我刚才说的这句话，叠加态会超越空间和时间进行相互作用。

 

超越空间很好理解，就是把两个纠缠粒子分开，超越时间指的是两个粒子的相互作用是同时的，理论上，甚至没有速度的概念。

 

这里面的相互作用指的是对一个纠缠粒子进行测量，比如自旋，就会同时决定另一个纠缠粒子的自旋结果。

 

没测量之前，这两个纠缠粒子的自旋处于叠加态，每个粒子即是上旋也同时是下旋。

 

 

测量行为就会导致两个粒子的自旋变得确定，如果一个纠缠粒子的自旋为上，那另一个必然为下，反之亦然。测量行为导致的叠加态消失就是测量坍塌效应。

 

现在很多人都知道量子纠缠是超光速的，其实这种说法并不严谨。

 

在理论上，量子纠缠就不存在速度的概念。因为纠缠粒子之间的相互作用是同时发生的，如果说存在速度的话，那是不是意味着纠缠粒子的相互作用存在时间差呢？

 

所以在提到量子纠缠的时候，尽量不要用“瞬间”“立马”这样的词语描述，最好用“同时”这个词。

 

 

理论归理论，但是实验还得做，你不做实验，怎么知道纠缠粒子的作用就是同时的呢？

 

但是回头一想，貌似这样的实验压根就无法做。

 

假如，你把两个纠缠粒子放到太空中，距离30万公里，时间精度是0.1秒，操作了一通，结果的确发现量子纠缠是同时的。

 

但是有人还会说，时间精度不够，这只能说明量子纠缠的速度不低于10倍光速。

 

然后，你又将时间精度提高到0.01秒，即便实验依旧成立，但还会有人说精度不够，这只能表明量子纠缠不低于100倍光速。

 

2013年，由中国科学家 潘建伟 带领的团队就测试过量子纠缠的速度下限。

 

 

在这篇名为《限制“远处的幽灵行动”的速度》的论文摘要中提到。

 

爱因斯坦等人将量子纠缠中的非局域关联称为“远处的幽灵行动”，如果确实存在这一可怕的行为，那它的速度是多少呢？

 

 

在这里，我们通过观察 连续12个小时违反贝尔不等式的实验得出结论：“幽灵行动”的速度下限是光速的四个数量级。

 

这个实验意味着：起码在验证上，量子纠缠至少是光速的一万倍。但要清楚，由于实验精度的限制，目前只能确定量子纠缠的“速度”不会低于光速的一万倍。

 

在未来，如果条件允许，还会做量子纠缠超光速一亿倍，一兆倍的实验。

 

但这样的测量有意义吗？

 

其实并没有多大意义，我估计在未来，要证明一台超级计算机的算力，除了测量圆周率的位数外，还会新增量子纠缠超光速多少倍的指标。

 

接着下一个问题，现在既然已经确定量子纠缠是超光速的，那这种超光速到底是如何实现的？

 

在目前的物理框架中，两个物体要进行相互作用，必然需要借助一种中介物质（介质）。

 

在标准模型中，我们已经知道：光子，胶子等玻色子和各种场可以充当物质相互作用的介质。

 

 

但是这些介质的速度上限是光速。

 

所以对于超光速的量子纠缠来说，是没有任何玻色子和场能够充当纠缠粒子之间的介质的。

 

于是就出现了另一种解释，这种解释便是逻辑判断。

 

这里有两个经典案例，一个是寡妇模型，一种是手套模型。

 

我们先说说寡妇模型。铁蛋和翠花本是一对情侣，经过了长达10年的爱情长跑，终于结婚了。在结婚的那一刻，铁蛋和翠花就有了夫妻之实。这种关系就相当两个纠缠粒子享有共同的叠加态。

 

突然有一天，作为丈夫的铁蛋因为车祸挂了。所以在事实上，不管翠花愿意不愿意，铁蛋挂的同时，也是她变成寡妇的同时。

 

这就相当于对一个纠缠粒子的测量，会同时影响另一个纠缠粒子。

 

还有一种解释就是，手套模型，将一双手套，随机放入两个盒子，只有当打开其中一个盒子的同时，也就会同时知道另一个盒子里装的是什么手套。

 

 

这两种案例就是典型的逻辑判断，这种解释也能让很多人愉快地接受量子纠缠。

 

可问题就在于，人家事实并不是这样的。

 

如果量子纠缠是逻辑判断的话，一旦测量，那结果就是确定的，不会再改变。

 

而事实上却是，如果打开盒子发现是左手套，盖上盒子后，再打开，就又可能变成右手套了。

 

量子纠缠就是这样，多次测量纠缠粒子，其结果并不相同。

 

这就奇怪了，为了解释这个问题，爱因斯坦也是绞尽脑汁，因为在爱因斯坦看来，任何两个粒子之间要进行相互作用，必然要依靠介质，但任何介质的速度都无法超光速。

 

 

也就说，任何遥远区域发生的事件都不能以超光速的形式 影响另一区域的事件。就是著名区域实在论。

 

爱因斯坦自然是区域实在论的捍卫者。

 

在他看来，纠缠粒子之所以看起来可以违背区域实在论，是因为纠缠粒子之间存在一种人类还没有发现的作用机制。

 

爱因斯坦将这种未知的作用机制叫做隐形的变量，也就是隐变量。

 

并指出，由于量子力学还没有发现这种隐变量，所以量子力学并不成熟，还有很多亟待完善的地方。这就引申出量子力学是否具有完备性的争论。

 

所以，这时候，问题的一切都集中在这个隐变量上了。

 

其实在上个世纪三十四年代，大部分物理学家都支持爱因斯坦的隐变量学说，包括量子之父的普朗克和喜欢玩猫的薛定谔。

 

 

因为在当时的保守派看来，哥本哈根学派用概率描述粒子也就罢了，毕竟找不到更好的理论描述粒子的行为，这暂时只是不得已的办法。大家即便有矛盾，还起码可以坐下来好好商量。

 

而量子纠缠这种违反区域实在论的超光速行为，简直不能忍，这直接和相对论干起来了，连桌子都给掀了，大家就没有商量的余地。

 

保守派从来没有接受过如此扯淡的理论，不管从科学常识还是内心情感来说，都无法接受量子纠缠这种诡异的相互作用。

 

1935年，爱因斯坦联合 波多尔斯基 和 罗森共同发表了名为《能认为量子力学对物理实在的描述是完全的吗》。由于这篇论文的三个作者名字的首字母分别是E，P，R。所以这一论文也称为EPR佯谬。

 

 

现在问题是提出来了，但是解决问题的人迟迟还没有出现。

 

直到29年后的1964年，爱尔兰物理学家约翰•贝尔 才提出了 贝尔不等式，给出了验证EPR佯谬的可行性实验

 

 

这个实验主要是通过非均匀磁场角度的改变，测量纠缠粒子的自旋状态的概率分布。

 

 

如果存在隐变量，那么测量纠缠粒子得到的概率就和磁场角度呈线性关系，贝尔不等式立，爱因斯坦是对的。

 

如果纠缠粒子的概率和磁场角度呈非线性关系，则贝尔不等式不成立，隐变量不存在，则量子力学是完备的。

 

 

科学家在半个世纪内，做了大量的贝尔实验，实验的结果全都指向，贝尔不等式不成立，爱因斯坦是错的。量子纠缠之间不存在所谓的隐变量。

 

但是这些实验还存在着不小的争议，主要的争议是 用于实验的纠缠粒子距离太近，操作实验过程不随机。

 

为了解决这些问题，后来还有10万人参与的大贝尔实验。事实上，物理学家对大贝尔实验的结果一点都不意外。

 

 

这个实验更多的意义是面向大众的一次科普活动。在座的很多小朋友也许正是通过大贝尔实验才开始了解量子力学的。

 

讲到这里，很多小朋友们已经按捺不住内心的躁动了，脑海中已经诞生了伟大的想法。

 

我虽然不知道你在想什么，但是答案就是：不能！

 

首先，量子纠缠这种超光速现象并不存在传播子（介质）。没有传播子就证明：在量子纠缠的超光速作用中，并没有实在的物质发生了超光速运动，也就无法承载信息和能量，所以并不违背相对论。

 

你可能还会想，即便没有传播子，量子纠缠照样可以传递信息。

 

你的想法是不是这样的：先将二进制的0和1分别对应成粒子的上旋和下旋。

 

 

通过对粒子不断的测量，就会形成大量的上旋和下旋结果，通过解读自旋结果就能对应成0和1，这样就可以传递信息了。

 

这种想法固然很好，但问题是，测量纠缠粒子导致的 自旋叠加态坍塌 是完全随机的，你根本无法按照预订的想法控制自旋态坍塌的结果。所以无法刻录有效的信息。

 

 

这时候可能有人会说，没关系的，不用控制自旋的状态也能传递信息。

 

我们只需将自旋叠加态是否坍塌看成0或1就行。

 

假设，自旋叠加态坍塌的这一行为是1，没有坍塌是0。

 

那么就可以设定，在一秒内，如果粒子的自旋态坍塌了，就证明遥远的那个纠缠粒子已经被测量了，那么这就表示1。如果一秒内没有坍塌，那就证明没有被测量，这就代表0。

 

这种想法固然美好，但你又是怎么知道粒子是否坍塌了？

 

你想要知道纠缠粒子自旋态是否坍塌就得观察。

 

 

那自旋态坍塌的结果到底是因为是你的观察而坍塌，还是因为遥远的纠缠粒子被测量而坍塌的。所以这种方式也是被堵死的

 

其实，我们理解量子纠缠一定不能套用经典的物理概念。

 

因为量子世界的一切都是模糊的，没有确定的行为。这并不是因为电子显微镜的分辨率不够高，而是由于量子世界的本质就是叠加态，模糊，不确定的。

 

所以只能用概率描述模糊。

 

 

量子纠缠也是一种模糊的叠加状态，这种叠加状态不会因为距离的远近而变得忽强忽弱，因为在量子力学看来，具有相同叠加态的纠缠粒子其实是同一个粒子，具有量子不可分离性。

 

我们之所以难以理解量子纠缠，就是搞错了整体的概念。

 

我们可以不假思索地认为一个原子就是一个整体。

 

但是当你把原子放大看，里面几乎都是空的，都是缝隙，那这时候原子还能被视为整体吗？

 

 

由于这种缝隙相对于人类来说太小了，所以我们难以察觉。

 

但是对于两个纠缠粒子来说，人家本来就是一个具有不可分离的整体。

 

空间缝隙可大可小，如果纠缠粒子之间的距离是0.001纳米，那么它们之间的缝隙就可以忽略，我们就可以心安理得地认为纠缠粒子之间的作用再正常不过了。

 

但是当这种缝隙大到一光年，我们就无法理解纠缠粒子的相互作用行为了。这时候我们就会忘记，其实这两个纠缠粒子本来就是同一个粒子而已，只不过缝隙有点大。

 

 

这一点的确很反常识，在理论框架中，只有基本粒子才能被视为不可分离的整体，既然不可分离，怎么可能存在缝隙。

 

所以就有物理学家认为纠缠粒子只是同一个粒子在高维空间的体现。

 

这种理论的通俗解释是：假如我们生活在二维空间的一个平面上，在这个平面上有个粒子，如果这个二维平面在三维空间上卷起来了，那么这个粒子在二维空间看来，就存在一个分身，本体和分身之间即便相距十分遥远也会同时相互作用，这简直就无法理解。

 

但在三维空间看来，这本来就是同一个粒子，并不足为奇。高维空间或许也是解释量子纠缠的一种可靠理论。

 

来源：科学认识论今日头条号