量子纠缠现象,一个令无数人着迷的物理奇迹,描述了两个微观粒子在形成纠缠态后,无论相距多远,都能瞬间相互影响。这一现象之奇异,连物理学巨人爱因斯坦都难以理解,将其称为“鬼魅般的远距离作用”。
量子纠缠堪称量子力学领域最令人费解的现象之一。它源自量子力学方程的推导,展示了当两个或多个粒子相互作用后,单个粒子的属性如何转化为整体系统的属性,从而无法单独描述每个粒子的状态,只能从整体上进行描述。
处于纠缠态的粒子能瞬间相互感应,其反应速度远超光速。这种反直觉的行为让爱因斯坦怀疑量子力学的完整性,他相信存在未被发现的隐变量,是这些隐变量导致了量子纠缠等怪异现象。
然而,量子物理学的另一巨擘波尔并不赞同爱因斯坦的观点。他认为量子纠缠等现象是量子世界的基本属性,体现了不确定性原理,而非什么隐藏变量所致。
由此引发了爱因斯坦与波尔之间长达数年的辩论。随着时间推移,波尔的观点似乎更受青睐,而爱因斯坦的立场则显得不那么有说服力。
量子纠缠之所以令人困惑,不仅在于纠缠粒子能瞬间感应对方,更在于它们的状态必须是相对立的。
以电子自旋为例,传统观点认为电子自旋方向非顺即逆。但实际上,对单个电子而言,其自旋方向是不确定的,这种不确定性是电子的内在属性,表现为顺时针与逆时针的叠加状态。
当我们尝试测量电子的自旋方向时,观测的瞬间使电子从“叠加态”坍缩为确定状态,即变为要么顺时针,要么逆时针。
若另一电子与此电子处于纠缠态,那么该电子的状态也会因观测而即刻确定,并保持与观测电子相反的状态。例如,若观测电子自旋方向为顺时针,另一电子则为逆时针。
尽管两电子间无任何信息传递,且可能相隔遥远,它们如何感应对方状态并做出相应改变?
爱因斯坦曾以手套比喻解释纠缠态:将一对手套分别放入两个密封箱中,无论箱子相距多远,它们始终保持“一对手套”的关系。打开任一箱子揭示左手套,另一箱子无需开启即可知是右手套。
换言之,两个箱子中的手套是左手还是右手,早在装箱时就已确定,我们的观察不过是揭示了结果。对此,波尔反驳称是人类的观测决定了电子的状态。
这场辩论不仅是科学上的讨论,也触及了哲学层面。不观测时我们无法知晓电子状态,而一旦观测,我们又无法确保观测不影响电子状态。
20世纪60年代,贝尔不等式的提出为这场辩论画上了休止符。
贝尔不等式是一个强有力的数学公式,在我们的经典世界中严格成立,限制了粒子间的相互关联性。然而,在量子世界中,贝尔不等式并非总是成立,有时会出现超出“定域实在性”的限制,这暗示了量子力学的不确定性是正确的,隐变量理论不成立。
这表明,至少在目前看来,波尔在与爱因斯坦的辩论中占据了上风。
那么,我们能否利用神秘的“量子纠缠”实现超距离瞬移呢?
许多科幻电影描绘了类似“瞬移”的场景,如《星际迷航》中的瞬移技术将人从一处传送至另一处。
理论上这是可能的,但实践难度极大。量子纠缠的“超光速”现象并未真正传递信息,因此直接传送一个人到遥远地方是不可能的。
尽管如此,科学家通过其他方式取得了进展。例如,创建两个纠缠的光子,将其中一个通过激光发送到数光年外的星球。然后产生第三个光子并与其中一个纠缠光子交互,由于量子纠缠效应,另一个远离的光子即刻转变为与第三个光子相同的状态,实现了信息的“复制”。
这项技术已成功用于传送数十个光子。既然光子可以通过量子纠缠复制,那么由基本粒子构成的人体理论上也能实现。问题在于技术难度。如果未来这项技术成真,是否意味着我们能实现瞬移?
这已不仅仅是科学问题,还涉及伦理和哲学问题,例如:复制出的你真的是“你”吗?原来的你在复制瞬间是否就消失了?
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