東方文明中,有個“紅繩”概念。傳說月老神會用一根紅繩將兩個人連在一起(把紅繩綁在腳踝或手指上),這根紅繩會使兩人的命運緊緊聯結,不論天南海北,他們最終都會相遇,並且墜入愛河,深深地被對方影響,相互滲透到對方的生活中。
這根紅繩可以無限延長,並且永遠不會斷掉。確實,當我們戀愛時,會對喜歡的人產生一種非常強烈的心電感應。不管你和對方距離多麼遙遠,他/她經歷的事情好像都會以某種形式對你產生一定的影響。
事實上,這種“感應”不僅存於人和人之間。量子物理學定律之中的那些次原子粒子(指結構比原子更小的粒子。包括電子、質子、中子、中微子和渺子等許多其他奇特的粒子)之間也廣泛存在著“紅繩的牽絆”,從某種意義上來說,這些粒子也“墜入愛河”了。
如在某一時刻,兩個粒子產生了相互作用,那一定程度上它們之間會永遠保持這種關聯。即使它們隔著光年的距離,甚至處在宇宙兩端,也會繼續對彼此產生一定的影響。
但這種關聯在粒子之間是短暫、瞬間的。這就是“量子糾纏”現象。
幾個粒子在彼此相互作用後,其擁有的特性就會綜合成為整體性質,所以無法單獨描述各個粒子的性質,只能描述整體系統的性質,這種現象被稱為“量子糾纏”。
這些粒子的運動屬性都能夠在量子力學的波函數中體現。例如:一個由雙粒子構成的量子系統,其自旋數很有可能為0。也就是說,兩個粒子中一個自旋為1/2的話,另一個自旋則為-1/2。
簡單說來,就是我們在地球上操作一個物體,在千里之外的另一個星系中,另一個和這個物體關聯的東西會有同樣的變化。假設,你現在在地球上,有人刺了你一刀,你血流不止……那麼,你的朋友在250萬光年之外也會產生疼痛感。難以置信,但在次原子世界中,在量子力學的規則中,這個現象是真實存在的。這也就是為什麼有人把“量子糾纏”形容為“戀愛的粒子”。
當次原子粒子的這種強關聯特性被發現時,在物理界引起了爭議,因為這種強關聯屬性違背了愛因斯坦狹義相對論中的一大基本假設:光速是宇宙中的極限速度,沒有任何信息可以超光速傳遞。然而,在量子糾纏中,一個粒子的自旋信息可以在瞬時被250萬光年之外的另一個粒子接受,顯然其傳遞的速度遠遠大於光速。
愛因斯坦把這個現象稱作“鬼魅的超距作用”,量子理論應該像牛頓力學一樣接近真理,但目前還不是真理。1935年,愛因斯坦和他的同事波多爾斯基、羅森為論證量子力學的不完備性而提出了一個EPR悖論(EPR 是這三位物理學家姓氏的首字母縮寫)。他們認為:如果這種量子糾纏真實存在,那麼量子力學理論還缺乏一套完備性判據。
對於量子糾纏和量子力學的爭論一直持續到1964年,北愛爾蘭著名物理學家約翰·S.貝爾(發明了著名的貝爾不等式)提出了一個絕妙的數學定理,證明量子糾纏是有可能真實存在的,並且同樣證明了科學理論不一定要和人類理解的現實一致。同時也否認了愛因斯坦之前提出的問題。正是由於貝爾,飽受爭議的量子力學可以通過實驗被檢驗,物理學得到了進一步的發展。
自貝爾後不斷有實驗表明粒子間的強關聯性是真實發生的。這種屬性也被廣泛地應用在很多早期的科學技術中心,如量子計算學和量子密碼學。
粒子的強關聯性在2017年麻省理工學院聯合維也納大學的一個研究中被再次證實。同年,中國科學家成功實現了使距離1200千米的兩個光子發生量子糾纏(之前最大距離為100千米)。
粒子間強關聯性使很多原來只存在於想象中的事物,有變成現實的可能了。比如科幻電影(如《星際迷航》)中的量子傳輸。想象一下:另一星系中有一個粒子和你在地球上擁有的一個粒子產生了強關聯,那你就可以通過操作地球上的粒子,來改變另一個星系粒子的狀態,甚至可以身處地球,去構建在另一個星系中你想要的一切,這就是量子傳輸。
但量子傳輸存在一個缺陷,即傳輸的對象只是物體的一種“狀態”信息,不能傳輸具體的物體或者能量,因為這些東西的傳輸不能超光速運行。同時,量子力學還面臨另一個問題:這種傳輸是隨機的、是一定概率下才會發生的。好在在物理學家的努力下,現在我們基本已經能夠克服這種概率上的障礙了。
2012年,科學家成功地憑藉量子傳輸傳送了兩個光子的特性,其中一個光子位於西班牙拉帕爾瑪島的卡普坦望遠鏡,另一個位於西班牙特內里費島的歐洲航天局光學研究站,彼此相距143千米。光子的特性正被用於量子計算學中,雖然應用量子計算學的計算機具有極其強大的功能,但其應用的複雜程度超乎一般人的想象。
有意思的是,根據理論,量子傳輸過程的一大關鍵在於摧毀信息源(1982年提出的無克隆定理中指出了這一點)。所以,電影《星際迷航》中的量子傳送器其實是一個非常危險的設備,我們很有可能死在這個傳送器裡面……真是個讓人頭疼的關聯。
經濟日報-中國經濟網摘自《那些聽過卻從未搞明白的問題》四川文藝出版社
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