量子纠缠的本质究竟是什么？

发布时间：2023-09-05 11:03:03 所属栏目：外闻来源：未知

导读： 　　尽管很多人已经接触到了有关量子力学的知识，但是这个新兴的物理学科依然存在着许多值得人们探索和理解之处。也正因为量子力学如此诡异如此神奇，因此被很多人津津乐道，成为很多人茶余

　　尽管很多人已经接触到了有关量子力学的知识，但是这个新兴的物理学科依然存在着许多值得人们探索和理解之处。也正因为量子力学如此诡异如此神奇，因此被很多人津津乐道，成为很多人茶余饭后的谈资，甚至别有用心的人拿量子力学来招摇撞骗。

　　比如传说中的“量子波动速读”，就是典型的利用神奇的量子力学当噱头，欺骗家长们的钱袋子。说得很简单，让书本与人的大脑产生量子纠缠，就可以做到“过目不忘”，即便是快速翻动书本，也能把书本里的知识全部装进大脑。

　　招摇撞骗的人对于这种噱头可谓信心满满，甚至把量子纠缠现象解释为某种心灵感应，直击“灵魂”的存在，也抓住了人们对心灵感应的好奇心。

　　很多人一看就能看穿这完全就是欺骗的行当，但没有想到的是，很多家长竟然还是上当受骗。其实这也不能完全怪家长，即便是某些宣称自己是科普的作者，也会把量子纠缠比作是心灵感应，其实这大大误导了普通的吃瓜群众。

　　那么量子力学和量子纠缠到底是怎样的理论呢？

　　量子力学虽然很诡异，直到目前科学家也未能完全弄明白量子力学，但不可否认的是，量子力学的确是一门非常严谨，非常精确的科学，它早已成为现代物理学大厦的基本基石之一，彻底统治了微观世界，主要研究范围包括分子，原子，凝聚态物质，还有基本粒子的结构性质等。

　　那么什么是量子纠缠呢？

　　物理学上是这样定义的，当两个或多个粒子发生相互作用之后，单个粒子所拥有的属性总合为整体属性，这时候就无法单独描述每个粒子的性质，只能描述整体系统的性质。这就是量子纠缠现象。

　　很显然，这种物理学上的定义并没有具体诠释量子纠缠，下面就尽量以通俗的语言来分析量子纠缠。

　　在此之前，我们需要了解一个概念，量子力学中的不确定性原理，一开始也叫“测不准原理”，是由著名物理学家海森堡在1927年提出来的。

　　简单来讲，不确定性原理指的是，我们无法同时确定微观粒子的位置和速度，速度越是精确，位置就越不精确。反之，位置越精确，速度就越不精确。

　　可以看出，不确定性原理与我们的宏观世界完全不同，违背了我们的日常生活认知。

　　日常生活中，我们看到的任何物体的位置和速度都可以是确定的。比如说，你行走在马路上，大街上不断有车辆呼啸而过，我们完全可以确定我们的汽车在某个百米之内的瞬间的自动驾驶的位置和汽车的速度，也可以利用雷达技术准确测量出汽车发生自燃距离你到底有多远。

　　不过一旦到了微观世界，一切就大不相同了。我们完全无法精确测量微观粒子的位置和速度信息，说白了，我们无法知道微观粒子到底在哪里。

　　任何形式的观察，其实都是间接观察，为何这样说呢？因为不管我们观察任何东西，都需要借助光，被观察的物体必须能发光或者反光，光线进入到我们眼睛里，才能被我们看到。

　　而要观察一个微观粒子是否带电，就需要用到磁场，利用微观粒子在磁场中的运动形式，来判断微观粒子的带电属性。

　　当然，这一切在宏观世界不会有任何物体，因为光线对宏观物体的影响太小了，完全可以忽略不计。比如说太阳光照射到一辆汽车上，太阳光的能量不可能推动汽车，因为汽车的重量实在太大了。

　　不过到了微观世界就不一样了，虽然光子没有静质量，能量也很小，但由于微观粒子的质量同样很小，光子就可能影响到微观粒子的状态，甚至让微观粒子到处乱窜。

　　导致的结果就是，如果我们要测量微观粒子的精确位置，必须用波长更短的光，波长短意味着相邻波峰波谷之间的距离更短，光返回的范围就会很小，测量具体位置时就更精确。但这也会带来另外一个麻烦，光的波长更短，意味着频率更高，能量更强，对微观粒子的扰动就会更大，结果就很难测量出粒子的精确速度。

　　相反，如果我们想测量微观粒子的精确速度，必须用波长更长的光才行。不过波长更长，也会导致我们无法测量粒子的精确位置。

　　这就像“鱼和熊掌不可兼得”一样，当我们试图测量微观粒子的位置和速度时，就必须在两者之间做出妥协，有所舍弃，不可能什么都得到。

　　这样的解释好像没什么问题，也更容易被人接受，毕竟原本就是测不准，结果只能用概率去描述微观粒子的状态，也就是所谓的概率波，或者波函数。

　　同时这种解释也意味着，微观世界的不确定性似乎并不是真的不确定，或许微观粒子的位置和速度其实是确定的，只是我们测量时，根本无法准确测量出确定的结果而已。

　　不过主流科学界并不认同上述更容易理解的诠释，而是更偏向于“哥本哈根诠释”，该诠释认为，微观粒子的不确定性是固有的，是量子世界的固有属性，与我们的任何测量手段都没有关系，微观世界就是不确定的，只能用概率波或者波函数去描述。而任何观测行为都会导致“波函数坍缩”，从不确定状态坍缩为固定状态，这时候的概率波也会变成一个确定的值。

　　说白了，当我们不观察时，微观粒子的表现就像波，它们无处不在。而我们观察时，看到的确定状态，其实只是我们恰恰看到微观粒子就在那里等我们。毕竟刚才说了，微观粒子无处不在，这样的话，不管我们如何观察，朝哪个地方观察，总能确定看到微观粒子在某个地方出现。

　　微观粒子“无处不在”很难被我们接受，如果出现在宏观世界就让人更加疯狂了。这就像爱因斯坦用来质疑玻尔的一句话“不看月亮时，它就不在那里了吗？”

　　如果月亮是在微观世界，还真的不在那里，而是无处不在，像幽灵一样忽隐忽现，只有当我们观测的一瞬间，才会发现月亮就在那里。

　　这也是很多学者不愿意接受不确定性原理的主要原因，更愿意相信是人类的测量技术还不够发达导致的测不准。

　　但是为什么主流科学界并不接受“因为测量技术不发达导致的测不准”这种观点呢？因为如果是这样的话，无论是理论上还是逻辑上，我们永远都不可能知道微观粒子是不是真的“不确定”，因为任何测量技术，不管有多发达，总是会有误差的。

　　这种永远“不可知”让科学家很苦恼，更恐惧。反过来，哥本哈根的诠释虽然看起来很诡异，也很简单粗暴，但起码诠释了量子世界的本质。再加上量子力学本来就很诡异，人们自然就更容易量子世界的不确定性。

　　更重要的是，著名物理学家薛定谔推导出来了薛定谔方程，求解这个方程就可以得出微观粒子的波函数，也就是后来玻恩提出的物理学意义的概率波，玻恩也因此获得了诺贝尔物理学奖。

　　薛定谔方程并不容易理解，但也没有必要深入理解，只需要明白一点：薛定谔方程在量子世界的地位，就相当于牛顿第二定律在宏观世界的地位就可以了。

　　可以看出，薛定谔方程和波函数从数学上定义了微观世界的不确定性，而玻恩定义了波函数的物理学意义，就是概率波。既然无论从数学上还是物理上都能很好诠释，主流物理学界没有理由不接受哥本哈根诠释。

　　这里有必要强调一点，其实所谓的“波函数”只是量子力学中的一个假设罢了，也可以认为是公理，波函数是量子力学的一个基础概念。说白了，科学家们也不知道为何量子世界中微观粒子的表现如此让人捉摸不定，只能用“波函数”去描述微观粒子的行为规律，而任何形式的观测行为都会导致波函数发生坍缩。

　　至于波函数到底为何会存在，观测行为为何又会导致波函数坍缩，科学家们也不知道，因为波函数本身就是一个假设，可以认为是完美的假设，也可以认为是公理。任何科学理论都是建立在假设的基础上提出来的，比如说爱因斯坦的狭义相对论，就是建立在“狭义相对性原理”和“光速不变原理”这个两大假设的基础上创建的。

　　话说回来，虽然薛定谔提出了伟大的薛定谔方程，按理说他应该是“哥本哈根诠释”的坚定支持者才对，但薛定谔和爱因斯坦一样，都是经典物理学的坚定拥护者，坚决反对哥本哈根诠释。

　　薛定谔更是提出了一个著名思想实验：薛定谔的猫，相信很多人都听说过这个实验，这里就不再详述具体实验过程了。

　　总之就是，如果量子世界真的存在不确定性和叠加态原理，那么，被关在密闭箱子里的那只猫肯定处于“既死又活”的状态，只有当我们打开箱子进行观测的一瞬间，猫的状态才会发生坍缩，从“既死又活”的叠加态坍缩为“要么死，要么活”的唯一固定状态。

　　显然，这样的猫在现实中是不可能存在的，该如何解释这个思想实验呢？由此延伸出了多世界假说，还有之后的“退相干”理论，总之，哥本哈根学派坚持认为微观世界是不确定性，那里的一切都只能用概率去描述。

　　爱因斯坦等人当然不信哥本哈根学派那一套，尤其是爱因斯坦，他坚持认为量子力学是不完备的，一定有某种隐变量还没有被发现。让爱因斯坦更难以接受的还有量子纠缠现象，由于量子纠缠看起来是瞬时完成的，速度远超光速，被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”。

　　开头也说了，当两个或多个粒子发生作用后，就会发生纠缠，也就是量子纠缠。举个例子，物质发生衰变可能衰变为一个电子和反电子，也就是正电子，这时候的电子和正电子就处于某种意义上的纠缠状态，因为两者是从同一个系统里分离出来的。这时候的电子与正电子的运动方向就是相反的，受到的合力为零，自旋方向也是相反的。

　　至于电子和正电子谁的自旋向上，谁的向下，只有通过观测才知道。这也是哥本哈根学派的诠释，认为纠缠中的粒子的自旋方式是不确定的，这也是不确定性原理的直接体现。也就是说，在被观测之前，纠缠中的粒子，比如说电子和正电子的自旋方向其实是处于某种“叠加状态”，也就是自旋方式同时处于“向上和向下”的叠加状态。

　　这种解释让爱因斯坦无论如何都接受不了。这就像我们掷硬币时，当硬币在空中向下落时，我们并不知道硬币是朝上还是朝下，也就是说硬币的朝向是不确定的，但这种不确定与量子力学中的“不确定”有本质区别。硬币状态的不确定准确来讲是“我们不知道”，严格来讲硬币在某个时刻的朝向是确定的，只是我们不知道而已。

　　再打个比方，一副手套分别被装在两个密封的盒子里，在打开盒子之前，虽然我们不知道盒子里到底是左手套还是右手套，但手套的状态肯定是确定的。爱因斯坦就是这样理解的。

　　不过在哥本哈根学派看来，无论是硬币，还是手套，状态真的是不确定的，严格来讲是处于叠加态，也就是说。空中的硬币同时处于“朝上和朝下”的叠加态，而手套也同时处于“既是左手套又是右手套”的叠加态。只有我们观测的一瞬间，硬币和手套的状态才会发生坍缩，从而确定下来。

　　当我们观测到其中一只手套是左手套时，另外一只手套的状态就会立刻从叠加态坍缩为本征态，也就是固定状态。给人的感觉好像是左手套通过某种神秘的方式告诉了右手套：我已经是左手套了，你赶紧发生坍缩，从叠加态坍缩为右手套！

　　这里最大的问题就是，这种神秘的方式到底是什么？也就是爱因斯坦眼里的“超距作用”到底是如何发生的。给人的感觉，好像量子纠缠能完全无视现有大自然法则，甚至看起来完全超过了光速，甚至能达到光速的10000倍。

　　要知道光速限制是相对论的基础，如果光速限制被打破了，相对论自然就不成立了。所以爱因斯坦无论如何都不能接受量子纠缠。

　　于是就有了爱因斯坦和哥本哈根学派代表人物玻尔之间的长达数年的辩论，这个辩论一直持续到爱因斯坦去世也没见分晓。直到20世纪60年代，著名物理学家约翰贝尔提出了一个可检验量子力学的方法，通过实验来验证。结果都表明，量子纠缠的速度的确远超光速，量子力学是正确的。

　　还有著名的贝尔不等式，这里就不再详述了，总之就是，如果贝尔不等式成立，意味着爱因斯坦提出的局域性隐变量的确可能存在量子力学里，说白了光速限制同样适用量子力学。如果贝尔不等式不成立，意味着局域性隐变量在量子力学并不存在。

　　结果表明，贝尔不等式确实不成立，也就是说，隐变量是不存在的，哥本哈根学派笑到了最后，爱因斯坦错了，起码目前是这样的。

　　那么，既然量子纠缠速度远超光速一万倍，是不是意味着相对论就被推翻了呢？

　　显然不是。因为哥本哈根学派所谓的量子纠缠，纠缠中的粒子之间并不存在任何信息上的沟通，也就是说量子纠缠过程并不会传递任何信息，因此并不违反相对论。

　　由于量子纠缠不能传递信息，所以我们当然无法利用量子纠缠实现瞬间移动，与所谓的“灵魂和第六感”更扯不上关系。

　　那么，如今非常火热的量子通信到底是什么呢？

　　简单来讲，量子通信其实并不是利用量子来传递信息，而是利用叠加态和量子纠缠效应实现量子隐形传态和量子密钥分发。说白了，就是给信息加密，让信息更安全，无法被破解。

　　通过卫星传递信号的过程中，传统的信息加密方式我们都知道，就是给信息加密，密码越复杂，被破解的几率越小。但无论密码有多复杂，都可能被破解，而且破解之后，发送和接收信息的人都不知道。

　　而用量子纠缠给信息加密就完全不一样了。

　　一方面量子纠缠生成的密码是随机的，注意这里的随机是绝对的随机，而我们现实中所谓的随机，其实都是伪随机，本质上都是有规律可循的，就连你头脑中随便想出来的几个数字其实都不是随机的。既然密码是完全随机的，意味着在观测之前连发送者都不知道密码是什么，当然就无法破解了。

　　另一方面，一旦任何人试图窃取信息，破解密码，试图会让纠缠中的粒子发生坍缩，无论是信息发送者还是接收者瞬间就知道有人在窃取信息，然后就可以快速做出反应。

　　除了量子通信之外，其实量子力学在我们生活中的应用还有很多，比如说电脑手机中的芯片，电子隧道显微镜，甚至太阳本身的发光发热，都涉及量子力学。

　　总结就是，尽管量子力学很诡异，很不可思议，但我们不能否则量子力学确实是一门非常精准的科学，人类还没有参透量子力学的本质和底层逻辑，但这并不妨碍我们可以更好地让量子力学为人类服务。这就像古代人类并不知道引力到底是怎么回事，但并不妨碍古代人类利用地球引力更好地为人类服务。在量子力学中，我们可以看到一个奇怪的现象，那就是我们的世界是不确定的，而且这种不确定性会随着时间的推移而增加。

（编辑：济南站长网）

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