文章图片
文章图片
我给你留了条信息 。 你知道这条信息的到来 。 你不会理解它 ， 除非你问我 。 信息是瞬间从我这里传给你的 。 它不是通过无线电或光纤电缆以光速传递的（它是即时的） 。 直到1935年 ， 阿尔伯特·爱因斯坦发表了一篇震撼量子物理学家的论文 。
这个问题就是纠缠 。 这篇论文的题目是 \"量子力学对物理现实的描述能被认为是完整的吗？\"
纠缠是一个很难理解的话题 ， 即使对物理学家来说也是如此 。 它是如此困难 ， 以至于花了几十年的时间来确定它到底是什么以及它的原理是什么 。 尽管如此 ， 没有人知道它意味着什么 。
纠缠来自于物理学中的守恒定律 。 这些定律告诉我们 ， 某些数量必须相加 。 能量、动量、角动量和电荷不能丢失或找到 。 这些守恒定律是绝对的 ， 但量子物理学给了粒子回旋的余地 ， 当有一个以上的粒子参与时 ， 它们如何遵守这些定律 。 这就是粒子是如何被纠缠的 。
守恒量是成对的互补属性 。 你可以在单个粒子的单一实验中测量一个 ， 但不能测量另一个 。 例如 ， 你不能同时测量一个粒子的位置和动量 。 如果你听说过海森堡的不确定性原理 ， 那就是这个想法 ， 但不确定性是理解它的一个坏方法 。 它让人觉得问题出在你的测量仪器上 。 但真正的问题是现实 。
粒子有一个叫做自旋的属性 ， 也就是它们的角动量 。 对于像电子这样的大质量粒子来说 ， 自旋有三个组成部分 ， 我们称之为x、y和z ， 光子只有两个 ， x和z 。 自旋是互补的属性 。 但事实证明 ， 如果有纠缠在一起的粒子 ， 你可以同时知道这两个自旋 。
假设你准备一个实验 ， 产生两个光子 ， 使它们必须具有相反的自旋 ， 即A和B ， 你可能从一个质子的衰变中得到 。 由于你不知道每个光子有什么自旋 ， 你需要测量它 ， 但你只能测量每个光子的x或z分量 。 幸运的是 ， 如果你测量A的x和B的z ， 你可以推断出A的z和B的x是相反的 。 这是因为这两个光子是纠缠在一起的 。 例如 ， 如果A的x是 \"上\" ， B的z是 \"右\" ， 那么B的x是 \"下\" ， A的z是 \"左\" 。
1935年 ， 一些物理学家认为这似乎违反了海森堡原理 ， 但它没有 ， 爱因斯坦也知道 。 根据量子物理学 ， 当这两个光子移开时 ， 它们仍然是纠缠的 ， 就像它们是两个不同位置的单一粒子 。 更糟的是 ， 在测量自旋之前 ， 这些粒子并没有一个明确的自旋值 。
关于宇宙的本质 ， 爱因斯坦有两种根深蒂固的信念：位置性和现实主义（locality and realism） ， 而量子理论似乎违背了这两种信念 。
位置性意味着每件发生的事情都发生在一个特定的时间和一个特定的地点 。 一件事不可能发生在两个地方 。 而两件事情只能以光速或比光速慢的速度传播信号 ， 而不是即时的 。
现实主义意味着 ， 宇宙中所有可以测量的东西在被测量之前都有一个确定的状态 。 换句话说 ， 如果我测量一个粒子有一个特定的自旋 ， 那么在我测量它之前 ， 它一定有这个自旋 。
爱因斯坦坚持认为 ， 量子物理学只有满足这两个标准才算完整 。 但伟大的量子物理学家玻尔和海森堡并不同意 。 海森堡是明显的反现实主义者 ， 而玻尔不一定是反现实主义者 ， 但他认现实既取决于观察者 ， 也取决于被观察者 ， 所以他对从同一粒子的不同种类的实验中得到不同的结果不感到惊讶 。
【自由意志|为什么自由意志和量子理论不可调和？一个深刻的物理哲学问题】以下是纠缠是如何违反爱因斯坦的信念的 。
违反现实主义根据量子理论 ， 光子A和光子B在被测量之前并没有明确的自旋 。 相反 ， 它们有一系列可能的自旋被编码在一个叫做波函数的实体中 ， 但是 ， 由于它们的自旋是相反的 ， 一个自旋必须决定另一个 。 然而 ， 当你测量自旋时 ， 它就变成了确定的、不可改变的 。 因此 ， 在测量之前 ， 它并不成为 \"真实\" 。
违反位置性当我们测量光子A的自旋时 ， 它自动决定了你将在光子B处测量的东西 。 在光子A处测量的东西似乎被瞬间传送到光子B处 ， 因此它既 \"知道 \"它应该是什么自旋 ， 又知道进行了何种测量 。 这种知识并没有给进行测量的人带来任何新的信息 ， 但如果不援引某种信息传递 ， 就不可能在标准量子理论中解释实验 。
推荐阅读
- 简述相对论发展史：从伽利略到引力波
- 除了黑洞还有白洞？爱因斯坦：白洞是黑洞的反演，能穿梭时间
- 50亿光年外，天文学家发现星系一分为二，爱因斯坦又对了？
- 平行宇宙理论是否支持回到过去？——霍金时间派对番外篇 原创
- 4维空间存在？德国数学家已证明，进入4维空间后人会变成什么？
- 太阳系或许不会被“降维打击”，但实际情况可能比这更糟
- 英国“毒王”：排泄物要收集起来，死后尸体装进半米厚的铅棺深埋
- 对称揭示了全息宇宙的线索
- 我国将造新一代“观天神器”爱因斯坦探针，超强视力可让黑洞现形
- 亮度是月球8倍！原定2020年升空的人造月亮，怎么没消息了？