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到底什么是“量子纠缠”

前言:

研究半天,狠喜欢这种知识经过脑子但不留下一点痕迹的感觉

(本文共 6585 字,阅读时长 1-30 分钟)

 

” 这些开创性实验

不仅确认了量子力学是正确的

还开启了第二次量子革命 “

今年诺贝尔物理学奖 ” 花落 ” 量子力学。

 

北京时间 10 月 4 日 17 时 45 分,诺贝尔奖委员会公布了 2022 年物理学奖获得者:阿兰 · 阿斯佩、约翰 · 克劳泽和安东 · 塞林格,以表彰他们在 ” 纠缠光子实验、确立对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学 ” 方面的成就。

2022 诺贝尔物理学奖获得者:阿兰 · 阿斯佩、约翰 · 克劳泽和安东 · 塞林格

 

这两天,” 诺贝尔物理学奖、量子纠缠、量子力学 ” 这些名词,也一下子齐刷刷地登上搜索榜,今天,” 量子纠缠 ” 更是登上热搜榜首。

有的网友在感叹完全看不懂,也有人在努力给大家解释。

到底什么是量子纠缠?它与量子力学有什么关系?

2020 年,我国量子计算机 ” 九章 ” 问世,200 秒就能解决过去 6 亿年的计算,远超谷歌,成世界第一,厉害之处是构建了 76 个光量子的 ” 量子纠缠 “。

民间故事里有个 ” 崂山道士 “,他可以穿墙而过,你以为这是骗术?量子力学中,” 穿墙术 ” 竟然是真的,叫 ” 量子隧穿 “。

这些匪夷所思的概念背后,正是量子力学。

俗话说,” 遇事不决,量子力学 “,今天,从半导体到核聚变,从光合作用到 DNA 修复,量子力学是当代前沿科技和世界运行的底层逻辑。

连金融巨鳄索罗斯也把自己的家业叫作 ” 量子基金 “。与此同时,从 ” 量子波动速读 ” 到 ” 量子算命 “,从 ” 量子推拿 ” 到 ” 量子治痛经 “,大量的 ” 量子 +” 骗局也大行其道。

量子世界,真的这么神奇吗?

是的,会彻底颠覆你的传统认知。而且,很有必要来一场 ” 时空穿梭 “,知晓真量子,鉴别假量子。

接下来这篇文章是有点烧脑的,我们不得不进行善意的提醒。

如果不信,请看量子论创立者——普朗克在研究量子前后的对比照,把一个活脱脱的美少男变成了凌乱的毁容大叔。

左:研究前的普朗克,右:研究后的普朗克

01

幽灵来了

时光倒流到 1900 年。

当时,世间万物从银河系的星空,到人类脚下的尘埃,都被牛顿的 ” 万有引力 ” 所驯服,安安静静、有条不紊地运行着。太阳系海王星的发现,更加固了牛顿力学的坚不可摧。人类已经自信地认为掌控了力、热、光、电、磁等所有自然的规律

经典物理帝国,进入全盛时代。

1900 年 4 月 27 日,伦敦天气,乍暖还寒。阿尔伯马尔街皇家研究所里,世界最有名的科学家们齐聚一堂。76 岁的学术泰斗开尔文男爵发言了:

 

” 世界运行的一切原理都已经被发现了,物理学尽善尽美,再也不可能有任何突破性的进展了!

 

But,物理学灿烂无比的天空中还飘浮着两朵乌云——‘以太问题’和‘黑体辐射’,未能得到解释。”

气氛开始凝重起来,接下来如黑云压城、城欲摧。

这时,普朗克登场了。

且说大学选专业的时候,颇有音乐天赋的普朗克,跟导师祖利说:” 老师,我想学物理。”

老师说:” 别,孩子,学物理不好找工作啊,它盛宴已过,没有空间了,何必浪费时间在上面呢?”

普朗克说:” 我就是感兴趣。”

老师摇摇头:” 哎,去吧,可惜德意志失去了一位优秀的音乐家。”

1900 年时,钻研 ” 黑体辐射 ” 多年的普朗克已经 42 岁,过了不惑之年,还没找到答案。命运开始对他发笑,老师的话一语成谶,普朗克的物理前途似乎真的没多少空间了。

一天,百思不得其解的普朗克,干脆破罐子破摔,心想 ” 我是否先不考虑背后的物理原理,而是在数学上先凑出一个‘黑体辐射’的公式?”

于是,普朗克三下五除二,竟然真的蒙出来了!即著名的黑体方程和神奇的 ” 普朗克常数(h)”。要说这 ” 普朗克常数 ” 有多厉害呢?在整个宇宙数字中可以排名前 3,另两个是牛顿的万有引力常数 G 和相对论中的光速 c。

普朗克最重要的思想贡献是指出 ” 能量在发射和吸收时,不是连续的,而是一份一份的 “。这又有啥了不起的?你只需知道,该观念颠覆了伽利略、牛顿以来,关于一切自然现象是连续不断的论断。从此,不连续、不确定的世界观诞生了。而这一份一份的东西,普朗克称之为:

量子。

12 月,普朗克发表他的理论成果,如同打开潘多拉魔盒,释放了 ” 量子 ” 这个沉睡亿万年的幽灵,” 量子力学 ” 正式诞生。开尔文口中的一朵乌云,就这么引发了一场极微观的革命。

但是,此时的普朗克,并不能解释 ” 一份一份的 ” 能量,意味着什么。

道破天机者,此时还是个求职无门的小爱同学,5 年后,他左手写出 ” 光电效应 “,解释了普朗克的困惑,成为量子论的另一开创者;他右手写出 ” 狭义相对论 “,赶跑了开尔文的另一朵乌云,掀起了极宏观的革命。(参见《牛顿啊,请原谅我》)

令人意想不到的是,量子思想是如此之离经叛道,普朗克和爱因斯坦,不久后将变成量子论的坚决反对者,革命者本人成了反革命者!

更令人意想不到的是,不认可量子规律,将成为爱因斯坦一生最大的 ” 败局 “。

02

20 世纪科学上最伟大论战

大家应该读过这么一首英国小诗:” 一沙一世界,一花一天堂;双手握无限,刹那是永恒。”

人们惊叹此诗的想象力。

但如果你回到 1913 年,28 岁的丹麦青年玻尔大概率会告诉你:一沙一世界,这是真的。

打个不严谨的比方,如果把原子这枚粒子,放大 10 的 30 次方倍,就相当于一个银河系;一个原子,包含了整个宇宙,是一个宇宙的 ” 全息胚 “。

这一年,玻尔提出原子构造模型,宣告了量子力学进入 ” 青年时代 “,他开创了著名的 ” 哥本哈根学派 “,成为全欧洲的学术中心。玻尔凭此成就,成为了量子界早期 ” 三巨头 “:普朗克、爱因斯坦、玻尔。

玻尔模型简图,在教科书和国际机构中还被广泛使用。

接下来,玻尔与爱因斯坦的大论战,是几个世纪来科学史上最了不起的论战。

1927 年 10 月底,索尔维会议召开。

” 索尔维 ” 的名字你可能没听过,但是爱因斯坦、居里夫人、普朗克、玻尔、薛定谔、海森堡这些人你一定听过,他们都来了。下面这张合影,被称为人类历史上智商最高的一张合影,29 人中共有 17 人获得诺贝尔奖。

1927 年索尔维会议合影

他们分为三派:

一,哥本哈根一派,由玻尔领衔,支持者波恩、海森堡、泡利等;

二,爱因斯坦一派,支持者有德布罗意、薛定谔等;

三,实验派,暂且略过。

一群 ” 小将们 ” 就前沿物理问题唇枪舌战、你来我往几个回合之后,没有结论,互不买账。于是,讨论很快指向了幕后的真正大佬,爱因斯坦和玻尔的对决。自此往后,这场决斗延续了近 30 年,若干回合,直至两人先后去世。

来看其中最重要的三次交锋。

01

第一次交锋:

爱因斯坦攻击 ” 海森堡不确定性原理 “。

” 不确定性 ” 是量子世界的本质。假设你站在原子核上,把电子当作月亮,此时,你眼中的月亮将同时出现在所有位置,而且,月亮以各种速度在同时运动。在微观世界,” 月亮 ” 成了一团云雾,被称为” 量子叠加态 “。

所谓叠加态,就好比你在听交响乐,在一组声波中,同时听到几种不同的乐器声。

图:电子叠加,来源:wikimedia commons

但这种观念,是对 ” 确定性 ” 和 ” 因果律 ” 的颠覆,冲击着爱因斯坦的信条。

一头乱发,掩不住爱因斯坦的自信。现在,他放大招了,用最擅长的招数—— ” 思想实验 “。他用弹簧和遮光板设计了一个 ” 单缝实验 “,轻松否定了不确定性原理(证明过程略去)。

玻尔急忙召集哥本哈根学派的战友,一起吃饭,一起琢磨,准备 ” 三英战吕布 “。突然桌子一拍,” 有了,爱因斯坦犯了前提错误。”

就是,你怎么能用宏观世界中的弹簧,去攻击微观量子世界的电子呢?爱因斯坦混淆了两个世界不同的运行规律啊。

爱因斯坦先输一回。

02

第二次交锋:

继续攻击 ” 不确定性原理 “。

爱因斯坦吸取了上次犯低级错误的教训,重新设计了一个 ” 光盒实验 “,论证了同时可以测定光子的速度和质量,不确定性还是错了。

这一招,沉稳老辣。

在回宾馆的路上,爱因斯坦笑容满面,大步流星,而玻尔大惊失色,亦步亦趋,劝说道:” 你可不能设计这个实验啊,否则,量子力学可就完蛋了。”(见下图)

爱因斯坦说,走着瞧吧。

玻尔急忙召集本派的队友,再次一起吃饭,一起琢磨。憋了一晚,大腿一拍,” 有了!你测重需要弹簧伸缩吧,根据你的广义相对论,弹簧一上一下,意味着高度不确定,也就是质量不确定,进而时间不确定。不确定性原理,还是对的!”

玻尔这招叫做 ” 以彼之道,还施彼身。”

爱因斯坦再输一回。

03

第三次交锋:

鬼魅般的超距作用

1935 年,爱因斯坦等人提出了一个 “EPR 佯谬 ” 说法。

打个比方,假定爱因斯坦和玻尔两人形成了” 量子纠缠 ” 状态,情绪是相反的,玻尔开心,爱因斯坦肯定难受;玻尔难受,爱因斯坦肯定很爽。但是他们相距千里,一个在美国,一个在丹麦,如果你问了其中一人,就能瞬间断定另一人的心情好坏,有点像人们常说的 ” 心灵感应 “。

爱因斯坦说,” 这不可能,因为违反了我的相对论,任何物体(信息)都不能超光速,除非世间有‘鬼魅般的超距作用’。”

这次,玻尔大腿拍肿了都招架不住,唯一能做的就是承认量子世界是一种超越空间的存在。直到他去世前,还画着与爱因斯坦的论战实验图。

爱因斯坦暂且 ” 赢 ” 了。

因为几十年后,多国科学家(包括中国)用精巧的实验,反复证明了 ” 鬼魅般的超距作用 ” 的确存在!真是见鬼了。

随机性和超距作用,是量子力学让人不得不接受的两个硬事实。

爱因斯坦有着严格的经典世界观,坚持探究世界的本源,认为 ” 上帝不掷骰子 “;而玻尔反击,” 老爱,你不要告诉上帝该怎么做。” 后者是一种 ” 不要问我从哪里来 ” 的世界观。

如果请尼采来给两人当裁判,尼采也会宣布:” 上帝死了。”

爱因斯坦,死不瞑目!

冥冥之中,宇宙似乎是一个整体,任何一个行动都会立即影响到其他所有的事物,背后这个超越时间、空间感知的东西,叫做:” 波函数 “。

有意思的是,写出量子运行波函数的是一位 ” 撸猫 ” 大师,现在,科学上最著名的 ” 萌宠 ” 要隆重登场了。

03

薛定谔的猫

薛定谔是谁?

他是奥地利人,参加过一战,研究物理,还开创了现代生物化学。他的感情生活和猫一样神秘,沾花惹草,绯闻不断。

不可思议的是,他在 1925 — 1926 年的一段长达 5 个月的婚外情中,创立了 ” 薛定谔波动方程 “。这个方程有多牛呢?在量子力学中,地位相当于牛顿定律在经典力学中的地位,人称 ” 情欲的大爆发 “。

图:薛定谔创立波动方程之处——赫维格别墅,来源:《上帝掷骰子吗?》

有一天,薛定谔在家 ” 撸猫 “,竟然撸出了科学史中最好玩的思想实验:

假设把一只猫和一个量子装置关在盒子里。装置里有一个放射性原子和一个毒药瓶。如果原子衰变,就会把毒药瓶打破,把猫毒死;如果它不衰变,毒药瓶就不会破,猫就继续喵喵叫。

图:薛定谔和猫,来源:《宇宙探索未解之迷》科普片

打开盒子之前,由于原子处于衰变和没有衰变的叠加态,猫也处于死猫和活猫的叠加态。要注意的是,” 既死、又活 ” 只是一种状态,不是两种状态。

这怎么可能?没错,薛定谔也觉得不可能,他原本是用猫来反对前面玻尔一派的,即把微观世界的量子效应给放大到了宏观世界,矛盾自现,因为宏观中的猫怎么可能 ” 既死、又活 ” 呢?

爱因斯坦看到这个实验后,非常高兴,写信给薛定谔说:” 猫……以最优雅的方式驳斥了哥本哈根解释。” 这一次,让玻尔够扎心的。

” 悲剧 ” 的是,几十年后的科学实验证明量子世界中,像 ” 薛定谔的猫 ” 这样的东西是存在的!于是,哥根本哈根学派还是主流。

爱因斯坦,又一次 ” 死不瞑目 “。

猫到底是死是活呢?打开盒子 ” 测量 ” 才知道。当你打开盒子的一刹那,” 既死、又活 ” 的状态就消失了,变成了或者死、或者活,一切回归正常,这个过程叫 ” 波函数坍缩 “。

这个观念是不是有点熟?没错,中国先哲王阳明早就说过:” 你未看此花时,此花与汝心同归于寂。你来看此花时,则此花颜色一时明白起来 “,看来,我们老王也摸到了量子力学啊。

如今,薛定谔的猫在大众中的人气一路飙升,成为 ” 万能挭 “、撩妹 ” 神器 ” 和量子力学代名词。它还与芝诺的龟、巴甫洛夫的狗、莎士比亚的猴、洛伦兹的蝴蝶、拉普拉斯的兽、麦克斯韦的妖,并称 ” 科学界 7 大神兽 “。

 

现代科学乃至科幻中很多好玩的概念都可以从 ” 薛定谔的猫 ” 出发。

比如:平行宇宙。

” 平行宇宙 ” 理论解释:打开盒子的那一刹那,宇宙分裂了,成了两个不同的宇宙。其中一个宇宙中的你,看见了活猫;另一个宇宙中的另一个你,好奇害死猫。两种可能五五开。无数个你,活在无数平行世界里,经历着不一样的人生。

图:平行世界命运简图,来源:Pinterest

不可思议的是,平行宇宙可不是猜想,它有严格的数学证明来成立!

再比如:量子计算机

我们知道,传统计算机的基础逻辑是二进制,要么是 0,要么是 1。但是,量子世界里,把光子做成 ” 薛定谔猫态 “,转变为 ” 既是 0,又是 1″ 等多种叠加态,这有什么好处呢?

举个例子,现在,陆逊要破解诸葛卧龙的 ” 八阵图 “,如果他对 ” 休、生、伤、杜、景、死、惊、开 ” 八门一个个地试,要迷住很久才能解出来。但假如他像孙悟空一样分身叠加,每一个岔路都派一个分身同时去,只需要一次,就能找到出口,卧龙先生根本抵挡不住。

这叫做量子叠加态的 ” 并行 ” 计算,大大提升战斗效率。所以我国的 ” 九章 ” 能将 6 亿年的计算缩短到 200 秒。

量子,正在重构世界运行的底层逻辑。

04

文明若毁,人类该留什么话?

猫活着,还是死去?这是个问题。

死后在这里,还是那里?这也是个问题。

跟薛定谔一个级别的量子学家海森堡,他写下了这样的墓志铭:” 我长眠于此,但我已在别处。” 这就是量子论,世界充满了不确定性。

到了 20 世纪下半叶,现代量子力学的领军人物费曼提出一个更大胆的问题:

如果文明将毁灭,人类该留下一句什么话?

 

这句话要尽可能简洁,也要包含尽可能多的信息,后来者才能重造文明。费曼说,这句话应该是 ” 万物由原子组成 “。怎么理解呢?

1986 年,大卫 · 科波菲尔来到北京表演穿长城。借助幕布遮挡,他从长城的一边钻到另一边,上演了真实版的 ” 崂山道士 “,但这只是投影原理和视觉盲区的魔术,不是量子力学。

图:大卫 · 科波菲尔表演 ” 穿 ” 长城

现实中,你在电梯里接听手机,电话很容易掉线,或者只有微弱的信号。这是由于电梯四周屏蔽了电磁波的信号,但这种屏蔽并不彻底,还是 ” 放 ” 了一丢丢信号进来,这是电磁波的 ” 穿墙术 “。

进入量子世界。现在,两个带正电的原子核,之间因排斥力形成了一道无形的 ” 墙 “,原本,在强烈的碰撞下,才能打破 ” 墙 “,发生核聚变;实际上,因为 ” 量子隧穿 ” 效应,在动能不足、温度不高、概率极小的情况下,原子核施展 ” 穿墙术 “,核聚变也能发生。

于是,才有了太阳发光发热,哺育了世间万物。从水的形成,到光合作用,再到生命诞生,越来越多的自然现象,刨根问底下去,就一定会刨到量子力学。

 

那人到底能否穿墙?

根据薛定谔方程求解,理论上是可以 ” 隧穿 ” 的,但概率极低、极低、极低,他需要一刻不停地去撞墙,撞啊、撞啊、撞啊,从宇宙大爆炸之初撞到 2022 年,也很难撞出奇迹。

一个终极问题,宇宙的起源是什么?同样离不开量子力学。

坐在轮椅上的 ” 爱因斯坦 ” ——霍金说,宇宙开始之前,处于一个 ” 量子叠加态 “,它可以演变成无数种历史。突然,宇宙的 ” 波函数坍缩 ” 了,时间开始,暴胀发生。我们所在的宇宙,只是宇宙无数可能的中的一个而已。

主流的宇宙 ” 暴胀理论 ” 认为,广阔的真空中,量子涨落的一次偶然隧穿,让宇宙诞生之初经历一次超级猛烈的膨胀。

 

图:COBE 卫星观测到的 ” 宇宙微波背景辐射 ” 分布图,称之为 ” 上帝脸上的皱纹 “。这项发现获得了 2006 年诺贝尔物理学奖,证明了宇宙大爆炸理论成立。

量子力学,可以 ” 无 ” 中生有。

可是,为什么我们日常看不到量子现象?科学实验已经发现,” 薛定谔的猫 ” 真的有叠加态,人也会有叠加态,只是发生了极快的 ” 退相干 “,你呈现的是粒子特征,波动特征消失了。所以 ” 九章 ” 量子计算机这样的宏观应用,关键一步就是防止 ” 退相干 ” 发生,要在严格的环境下 ” 保鲜 ” 才行。

也许,量子世界的诸多怪异行为才是真实的日常,我们的确生活在一个不确定性的世界中。

爱因斯坦说,” 理论决定了你能观察到什么 “。可怕的是,量子力学有十几种解释,世界只有一个真相,还是有无数个真相?本文的每一句话,可能都不是真相。

幸运的是,经过这次 ” 量子 ” 之旅,下次见到市面上什么 ” 量子波动速读 ” 之类的伎俩,你就不会觉得多么玄幻、多么高端了,这简直是侮辱智商啊,薛定谔的猫也会死不瞑目的!

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