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如何用普通人能理解的语言解释量子纠缠?

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纠缠涉及量子力学的核心秘密。
先从一个简单的例子说起。假如,现在桌子上放着一个杯子,我希望知道杯子的确切位置。杯子的位置有四种可能分别对应于A、B、C、D四个字母。经过观测,我发现杯子处于C处。那么问题来了,观测之前,杯子在哪里呢?
你可能会不屑一顾,这是什么弱智问题,当然是在C处啊。很好,你的智商赶上爱因斯坦了(非黑)。老爱对这个问题的理解与你一样,观测之前,杯子就处在C处。用一句专业术语表达出来就叫做:实在性。
但就是这样一个看似简单的问题却在量子力学学家眼里引起了极大的争议。他们认为,在观测之前,杯子哪儿也不在。测量之前杯子处于A、B、C、D四个位置的叠加态。测量的瞬间,其位置随机坍缩到了C处。这是什么鬼,测量之前哪儿也不在。是的,的确如此。这就是量子力学的基本原理之一,目前为止,几乎所有的实验都在佐证量子力学的认识:测量之前哪儿也不在。
用杯子举例有失科学,大家理解成微观粒子就行了。
好了,现在准备工作已经完成,让我们继续这趟神奇之旅。
大伙儿可以回顾一下初高中甚至是小学就接触过的一个定律:守恒定律。能量啊、动量啊之类的反正就是各种守恒。现在我再隆重介绍另一种守恒,自旋守恒。自旋?这又是什么玩意儿?细节大家也不必理会,反正知道是一种物理量就行了。
现在呢,想象有一个粒子,它的自旋为0。
某一瞬间它突然分裂了,变成了两个粒子(给它们起个名字吧,一个叫Alice、一个叫Bob)分别朝着相反的方向飞驰而去。就像一颗炸弹在空中炸开成两半儿。对了,我们刚刚不是提到了自旋守恒定律吗?这两个粒子的总自旋为0,它们各自的自旋具有两种可能的结果,分别为1/2和-1/2。按照守恒定律,假如Alice的自旋为1/2,那么Bob的自旋必定为-1/2。同样的道理,假如Alice的自旋为-1/2,Bob的自旋就一定为1/2。小学一年级的数学想必大家都会吧。
但是呢,在测量之前谁也不知道它们俩的自旋是多少,准确的说,测量之前它们没有自旋。测量的瞬间它们的自旋坍缩为1/2或者-1/2。那么如何描述它们在被观测之前的自旋信息呢?也许你已经猜到了,就是:纠缠态。
说人话就是:它们的自旋有一半的概率为Alice1/2、Bob-1/2还有一半的概率为Alice-1/2、Bob1/2。这两种情况在测量之前处于叠加状态(也就是哪种都不是),它们的自旋只有在被观测的瞬间才随机坍缩到其中一种情况。更准确的表达是:纠缠态。
谁和谁纠缠呢?聪明的你也许已经发现,由于守恒定律的要求,Alice的自旋与Bob的自旋之和永远等于0。它们就像一对心有灵犀一点通的夫妻一样,测量瞬间你的自旋坍缩为1/2,无论相隔万水千山我就立刻坍缩为-1/2(换成另一个术语就叫做:非局域性原理。简单理解就是超距作用action at a distance) 。反过来,你的如果为-1/2,那么我就立即坍缩为1/2。
此为纠缠态也。
在此需要注意的是,纠缠态是一次性产品,一旦测量坍缩到具体某一种情况,比如说Alice1/2、Bob-1/2,那么它们便不再纠缠。如果没有外界影响,再次测量(默认沿着相同的方向)它们将一直处于这样的状态(Alice1/2、Bob-1/2)。因此实际实验中,纠缠源会源源不断制备出大量一模一样的成对的纠缠态副本(全同量子系综),测完即仍。这时你会发现,实施观测时,有的(比如说第一对)纠缠粒子对会坍缩到第一种情况,有的(比如说第五对)则会坍缩到另一种情况。
下面为增补内容:EPR佯谬与贝尔不等式
其实,我们之前已经基本完成了EPR佯谬的描述:粒子分裂,自旋守恒,测量坍缩。
那么,佯谬出现在哪里呢?
容我慢慢道来,EPR指的是爱因斯坦、波多尔斯基、罗森三个物理学家。EPR佯谬就是这三位联合起来向以哥本哈根学派为首的量子力学发起的一次突袭和强攻。
他们提出这个思维实验,按照量子力学的说法:两个粒子的自旋处于纠缠态,无论它们相隔万里,对其中一个粒子的进行探测,如果测得的自旋为1/2(或-1/2),与之对应的另一个粒子便即刻坍缩到-1/2(或1/2)的量子态。
很明显,它们这种机制违反了相对论的限制:宇宙的速度上限为光速(真空),不可能有比光传播速度还快的物质,包括信息,也就是说任何物理影响都不可能超光速传播。爱因斯坦斥之为鬼魅般的超距作用,并以此来驳斥量子力学的不合理之处(完备性)。
在爱因斯坦(经典力学)的世界观里,粒子分裂的刹那间,两个粒子的自旋即已确定下来,测量只是获取了这个信息而已。之所以量子力学暂时有效,是因为我们无法得知更基本层次的信息(隐变量),好比有一个黑盒子,我们知道怎么使用,但并不清楚其内部构造。绝非量子力学所称的纠缠态,在测量的瞬间,才坍缩形成1/2或者-1/2的自旋。
用一句经典名言来概括就是:老头子是不掷骰子的。
哥本哈根学派的教主玻尔为了绝地反击,苦思冥想了一夜才出手还击:爱因斯坦是你观念太腐朽了好吗?不要总是沉浸在经典世界的泥沼中无法自拔,在测量之前哪有什么自旋啊?它们是一个整体好吗?测量产生了自旋。
也用一句经典名言来概括:不要在老头子面前指手画脚,告诉它老人家该怎么做!
客观来看,他们的争论只能停留在哲学(嘴炮儿)层面,谁也说服不了谁。
后来,到了1964年,贝尔先生作为爱因斯坦的铁杆粉丝,决定充当爱因斯坦的斗犬,为自己的爱豆出气,提出贝尔不等式:可以通过实验来检验量子力学和经典力学哪种认识才是正确的。很不幸啊,真是倒打一耙,目前所有的贝尔不等式实验都在验证量子力学的认识:局域实在论是错误的。
上帝还真掷骰子啊!
上帝为什么会掷骰子呢?
WHO KNOWS

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