量子糾纏的物理史話

誕生於20世紀20年代的量子力學,至今開山立派也近百年時間。這個學派以鬼魅功夫見長,量子疊加、量子震盪、量子干涉……各種量子效應,把物理學江湖攪了個翻天覆地,打得其他各學派毫無還手之力,一時間江湖人士紛紛一擁而入,拜碼頭,立堂口。

量子一派日益壯大,成了物理學江湖中繼相對論之後的又一大宗派。然而這門功夫的精髓“只可意會不可言傳”,即便是精通此道的玻爾、狄拉克、費曼等大牛,也說不清這門功夫的本源。時至今日,量子一派仍秉承“英雄不問出處”的理念,不太關心源頭的問題。

量子糾纏的物理史話

量子力學這門功夫中最強的招式當屬量子糾纏(quantum entanglement),這種無視空間的絕技,可謂殺人於無形。最早頓悟此絕技的並非量子力學一派之人,而是為量子一派興起立下汗馬功勞,卻又走向其對立面的相對論開宗祖師愛因斯坦,他稱其為“幽靈般的超距作用”。“幽靈”與“超距”這兩個詞把量子一派的鬼魅體現的淋漓盡致,讓整個物理學江湖瑟瑟發抖。然而一代宗師愛因斯坦對量子糾纏卻是排斥的,甚至是忌憚的。

而一切的緣由,都藏在那一段過往的歷史之中。


富商搭臺,大神唱戲。

20世紀比利時化學工業家歐內斯特·索爾維靠發明純鹼而發了財,閒得沒事想進軍物理學界。於是,索爾維搞起了圈層營銷,為當時全世界知名的物理學家搭臺唱戲,借學術探討之名,行藉機融入物理江湖之事。各學派帶頭大哥一看,有人樂意出錢出力讓大家交流,這可是一件難得的好事。於是,從1911年開始,大家就隔三差五一聚,史稱索爾維會議

量子糾纏的物理史話

第五次索爾維會議

索爾維會議搞到第五屆,也就是1927年,正是量子力學開始攪動物理學江湖的時代。關於“量子力學體系是否完備”的史詩級論戰,也在愛因斯坦與玻爾之間拉開了。作為當時物理學界響噹噹的大神,愛因斯坦秉持一種決定論。他堅信如果掌握了事物的運轉規律,就能給出其確定的描述,因此他認為量子力學的不確定描述是不完備的。他看不慣玻爾倡導的概率論,於是就用他那天才的大腦設計了好幾個思維實驗,企圖擊潰以玻爾為首的哥本哈根學派。

貴為宗師級大神的愛因斯坦出手沒有一點留情,也沒有一點大神的架子,每次交鋒都是積極主動衝在前面,玻爾只得被動防守見招拆招,卻總能頻頻化險為夷,反客為主。在與愛因斯坦的一次次交鋒中,玻爾也一步步走向了神壇。

中間的精彩故事,省略一萬字……

打到1933年第七屆索爾維會議,雖然愛因斯坦的攻勢每次都極其刁鑽,玻爾卻總能提心吊膽、皺眉淌汗地驚險避過。在愛因斯坦暴風驟雨般的攻勢中,玻爾卻變得如量子一樣鬼魅而不確定。愛因斯坦本想一擊斃命,可惜每一擊卻都落了空。

畢竟學術攻防,不是“唯快不破”的武術打鬥。時間在學術攻防中沒有意義,即便是千年老妖的理論,經不起實驗驗證,也是說超度就超度。不過像玻爾和愛因斯坦這樣兩位大神過招,哪需要什麼實戰,都是意境之爭,在物理學界稱為“思想實驗”。在他們最後一次交手中,愛因斯坦憋了一個大招,不過他並沒有用在索爾維會議上。因為愛因斯坦可算搞明白了,這個會議就是他的剋星,心急也吃不了熱豆腐。每次在索爾維會議上,與玻爾交手最後都是他吃虧。

於是在這次會議上,愛因斯坦沉默不語、一言不發,往屆瀰漫的硝煙一掃而空。玻爾還以為愛因斯坦終於默認了他的理論,慶幸自己終於獲得了大神的認可,心裡美滋滋地,還暗暗發誓:以後一定更加刻苦專研學術,創造更多無上妙法,以回饋這些年愛因斯坦大神的不吝賜教。而往屆看慣神仙打架的吃瓜群英反而感受到了一股久違的空虛無力,如亢奮後的虛脫。

然而,誰都沒想到,一顆重磅炸彈即將奇襲整個物理學界。


EPR啟示:虛無的力量,也能撼動現實。

第七屆索爾維會後,愛因斯坦沒忙著做學問,而是忙著搬家。

由於希特勒上臺,反戰的愛因斯坦在德國待不住了,收拾好道場,裹上鋪蓋卷就溜了。後來到了美國普利斯頓落腳,邂逅了兩位道友——波多斯基和羅森,愛因斯坦把他駁斥量子力學的構思講了一講,大家一拍即合,1935年5月一篇為名《量子力學對物理實在性的描述是完備的嗎?》的重磅論文橫空出世,其中以三位作者首字母命名的EPR佯謬,把物理學界炸了個底朝天。

量子糾纏的物理史話

EPR佯謬描述的就是“量子糾纏”現象,一種從未被世人觀察到,僅以當時剛構建的量子力學基礎闡述,經愛因斯坦大腦瘋狂運算81個腦回路後,炮製出來的一個看似虛無縹緲毫無真實感可言的幽靈,以佯謬的形式誕生於世。

簡單來說,根據量子力學的描述,可以存在這樣一對神奇的粒子,即誕生時具有一定關係,但分開後完全失去聯繫的兩個粒子,對其中一個粒子測量就可以瞬間影響另一個粒子的屬性,即便這兩個粒子相隔天涯海角。也就是說,一個粒子竟然可以以超光速影響另一個粒子!!!

對於已經認可了相對論的物理學界來說,這絕對是不可能。玻爾看到後大驚失色,彷彿看見了愛因斯坦描述的超距幽靈盯上了自己,脊背陣陣發涼。三個月裡,玻爾如被惡靈催命一般地拼命計算,以求像以前一樣找到愛因斯坦的推論錯誤,來證明這個幽靈並不存在,但這次愛因斯坦的所有論述毫無破綻。

最終,玻爾以接納的心態,在幽靈的凝視下與它達成了和解,並認可它的存在。同時,玻爾也發表了一篇名為《量子力學對物理實在性的描述是完備的嗎?》的論文。

一樣的標題,一樣的論述,唯一不一樣的是愛因斯坦對“量子糾纏存在與否”的回答是“NO”,而玻爾的回答是“YES”。

一場史詩大戲就此落幕,因為當時的科研實力完全無法對愛因斯坦與玻爾的最終答案做出評判,而兩位大神也都沒等到30多年後的糾纏實驗就與世長辭。

關於量子糾纏的實驗,再次繼續省略一萬字……

雖然,愛因斯坦不贊同量子力學的不確定性描述,但在愛因斯坦與玻爾的三大論戰中,量子力學的思想反而得到了錘鍊,而更加發光發熱。愛因斯坦與玻爾這對學術上的冤家也保持了終生的友誼。

量子糾纏的物理史話

關於量子糾纏的不確定理解。

我們現在知道“量子糾纏”現象確實存在。愛因斯坦眼中的鬼魅成了客觀世界的基石。

事實上,早期所有糾纏實驗的初衷都是為了否認“量子糾纏”的存在,然而大自然並不太顧忌人類的感受,無情地嘲諷了人類的無知。現在物理學界已明確量子糾纏是一種純粹發生於微觀世界的現象,源於量子系統的不可分割性,即當幾個粒子彼此相互作用後,粒子們所擁有的特性可能糾纏在一起成為一個整體,各個粒子的性質再也無法被單獨描述,只能描述整體系統的性質。

為什麼會這樣?沒有公認的回答。如果說,疊加態是一個粒子擁有多個對立物理量,糾纏態就是多個粒子共用一個物理量。但不管是一個或多個粒子,以及各種物理量,其實都脫胎於我們經典認知形成的概念,這本身或許就妨礙了我們對量子體系的理解。

“量子糾纏”這個命名就是一種經典認知,因為我們先決地認為是兩個或多個粒子產生了聯繫。為什麼它不能就是一個,只是看起來是兩個或多個呢?有沒可能,我們在干擾一個粒子時,並沒有影響另一個粒子,只是我們同時干擾了它——“兩個粒子”。我們以整體性來解釋這一現象,潛臺詞其實是默認糾纏的粒子是多個的“它們”和不是一個的“它”。

怎麼來理解?

在弦論的高維空間概念下,打破了三維空間的理解限制,量子糾纏成了粒子在高維空間的三維投影,甚至量子的種種奇異現象都可以用弦論的高維空間思想來解答,不過這種解答無法實驗驗證,科學大牛們對它是又愛又恨。愛它的人,覺得它能大大的簡化已知的物理定律,觸及物理學家心中的簡潔之美;恨它的人,覺得這種解釋太過輕浮,為了解釋一些無法理解的東西,就搬出了另一些無法驗證的東西。

科學理論無法實驗檢驗,就無法發展。高維空間理論逐漸淪為物理學研究的禁忌,對源於弦論的超弦理論、M理論的研究不僅被無法實驗所阻,而且超強數學能力的要求也讓無數物理學家望而卻步。另外,弦論研究的量子領域(高維空間)捲縮在普朗克尺度之下,所以對宏觀現實沒有多大影響,這也讓它變得用處不大。迫於應用科學的強大與經濟效益,搞理論科學的更容易被動搖。

弦論屬於一種以高維空間思想去觸及宇宙本質的超前理論,它也許彰顯了人類不自量力的狂妄,也許象徵了人類對探索宇宙之謎的那道希望之光。

在弦論的框架下,量子糾纏的粒子之所以能忽視距離而相互感應,是因為三維空間中的距離對於高維空間來說,並不存在。我們看見的只是我們能看見的兩個或多個粒子,在高維空間中,那就只是一個粒子而已。

而除了弦論,還沒有一個理論能給出一個邏輯自洽的解釋。不過量子糾纏不傳輸任何信息,已成為了物理學界的共識,所以它也並未違背相對論關於信息無法突破超光速的限制。

關於量子效應,你困惑嗎?或許終有一天我們能弄明白,然而大自然永遠不會將它所有的秘密一次性暴露在我們面前,我們或許永遠也無法真正讀懂宇宙。

想法捕手


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