量子为什么会纠缠,本质原因是什么?
▍▷量子为什么会纠缠,本质原因是什么?
问题:量子为什么会纠缠,本质原因是什么?
量子纠缠现象大师们都很难说明白。
量子纠缠是量子系统的一种现象,理论很复杂,要说清楚很难。对于量子世界的奇异特性,不但我们瓜民们如雾里看花,就是物理学大师们也有不同看法。为了弄清这些问题,上世纪一些物理学、量子力学大师们曾经有过一次剧烈的争论,代表人物都是量子力学的鼻祖。
以爱因斯坦为首的经典物理学派认为,量子力学里面的一些无法预测的“诡异”现象,如量子纠缠“鬼魅般的超距作用”,主要是其理论尚不完备,有一些深层次隐性规律还没有被人们所认识,他把这种规律称为隐变量,只要找到这些隐变量,这些现象就不诡异了,就可以预测了。爱因斯坦的口头禅是“上帝不会掷骰子”,支持他的有薛定谔、贝尔等。
争论的对方叫“哥本哈根派”,其代表人物有波尔、波恩、海森堡等,他们的理论被称为“哥本哈根诠释”。核心是坚持观测事实,认为粒子的波粒二象性、不确定性原理、波函数塌缩、量子纠缠等奇异特性,是量子世界的固有特性。它们更像是“别去管上帝能做什么”,似乎“上帝真的在掷骰子”。
最终哥本哈根诠释胜出。
一直到爱因斯坦、波尔等大师们都到天堂去了,争论依然没有结果。他们在天堂是不是还在争论我们也不知道,因为“量子纠缠”本身不携带信息,我们无法知晓变成量子的爱因斯坦们在干什么。倒是曾经支持爱因斯坦隐变量理论的约翰·斯图尔特·贝尔,一直孜孜不倦地想证实爱因斯坦正确,他提出了一个逻辑严密的数学不等式,只要这个不等式成立,爱因斯坦就胜出。
但结果令他失望,反复的实验,不等式都不成立。后来又有许多科学家验证了这个不等式,确切地证实了这个不等式不成立,从而判定爱因斯坦所主张的隐变量不存在,支持了哥本哈根派,哥本哈根诠释完美胜出。
这个结果传到依然在天堂争论的爱因斯坦和波尔们那里,不知他们作何感想,是不是会偃旗息鼓呢?
这个结果说明,量子力学里的量子纠缠、测不准定律、波函数坍缩确实在微观领域存在,但为什么存在呢?没人知道,因此量子纠缠的本质到底是什么,为什么会纠缠,没有一个完美的理论解释。
那么何谓量子纠缠呢?
这是量子力学里面描述粒子特性的一个概念,说的是当几个粒子在一起相互作用后,其原来各自的特性就会消失,而综合成整体性质,人们无法将这些粒子区分单独描述某个粒子性质,只能够描述整体系统的性质。
即便把这些粒子分开到很远距离,它们的这种性质依然存在。理论上认为量子纠缠距离可以达到任意远,最诡异的就是,根据不确定性原理,测量粒子会让粒子运动发生改变,这种改变会瞬间传递到任意距离纠缠着的粒子,让其运动同时改变。
如A和B一对纠缠着的粒子,它们的纠缠状态是一个为左旋,一个为右旋,把它们分开放在距离很远的两地,只要测量A粒子,其运动发生改变成为右旋,那个在远方B粒子一定会变为左旋;而测量B粒子,则A粒子同样会发生改变。
我国2016年发射的墨子号量子科学实验卫星,证实了处于纠缠态的两个光子,分开1200km距离后依然保持这种性质。2019年7月12日,英国格拉斯哥大学的科学家们,首次拍摄到量子纠缠的照片(上图),这项成果以《贝尔非局域相互作用的成像》论文发表在《科学进展》学术期刊上。
怎么理解量子纠缠?
量子纠缠的“诡秘”特性让人们产生了许多猜测,甚至引起了一些神鬼玄学迷信群体的兴奋,认为最微小的粒子都有意识,所以才会有超距作用。但主流科学界认为,量子纠缠就是粒子世界的固有特性,是一种客观存在,并非有什么意识。
科学界现在对量子纠缠这种现象的机理还没有弄清,但主流理论认为,量子纠缠至少有三个基本特征:一是这种现象只存在于量子世界,不会在宏观世界出现;二是量子纠缠不传递能量和信息,因此不违背光速藩篱;三是超距作用无限远永远也无法证实。
如何理解量子纠缠现象只出现在量子世界?就是在宏观世界从来也没有这种现象,遵循的是经典物理学理论,包括爱因斯坦相对论和牛顿力学等。这也说明利用这个理论实现超距传输是不可能的。在一些科幻作品和一些人想象中,老幻想着利用量子纠缠这种特点,将一只猫或者一个人或者一艘飞船,瞬时传递到光年以外,这些都不属于量子纠缠理论范畴。
那么既然量子纠缠具有超距作用,为什么不携带信息和能量呢?这里我们可以用一个更通俗的比喻来理解:有两姐妹分居两地,姐姐生了一个孩子,妹妹自然升级为小姨了,这种变化是瞬间的,不管她们距离多远,也不管她们愿不愿意,都会自然地发生这种变化。
但妹妹在接到传递的信息前,并不知道发生了这种变化,而姐姐把这个信息传递给姐姐,就要使用宏观信息传递手段了,传递最快的速度就是光速,打个电话,电磁波就传给了妹妹了。
为什么无法验证量子纠缠超距作用无限远呢?这是因为人类永远也无法将一个被纠缠着的粒子传送到无限远,现在人类的飞行器连1光年半径的太阳系都出不了,何况无限远?比如前面说的那姐妹分开的问题,她们就像需要分开纠缠着的两个粒子,要分开多远,就要用宏观的方式移动,无论是坐火车还是坐飞机做宇宙飞船,把姐姐或者妹妹送到无限远是做不到的,即便光速也做不到。
因此量子纠缠传播无限远,理论上可以做到,因为两姐妹不管分开多远,姐姐生了孩子,妹妹都会自动升级,但在实践中永远无法证实。
这种比喻不够严谨准确,只是为了帮助大家通俗理解量子纠缠虽然有超距作用,但并不传递信息和能量。不当之处,欢迎纠正和拍砖。
量子通讯不是用量子纠缠速度通讯。
现在量子通讯常常被一些人误认为信息传输比光速还快,可以做到无延时通讯,这种理解是错误的。现在潘建伟等科学家正在研究的量子通讯,主要是通过量子纠缠分发和隐形传输,利用量子不确定性原理、波函数坍塌原理等,让通讯更快、更保密而已。
这个传输速度更快不是传播速度超过光速这种速度,而是每秒钟传输的数据量更大,如每秒可传递5G流量;保密是指密匙不可克隆,且通讯不可监听。
因此,从量子纠缠的这些基本特性,我们可以了解到,量子是没有什么意识可言的,未来也不可能通过这个理论来实现超距即时能量和信息的传输,更不可能实现任何物体或人类的瞬时转移。但随着人们对量子力学研究的深入,对这个世界的本质认识会越来越深刻,从而推动整个人类文明的进程。
就是这样,欢迎讨论,感谢阅读。
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▍✹量子为什么会纠缠,本质原因是什么?
量子纠缠是微观粒子间的一种特殊物理现象,已经被实验观测所证实。
很多人不能接受量子纠缠,其实有以下几个原因:
一、量子纠缠这个名字起得不好
这个名字不能真正表达这个微观粒子之间现象的本质。纠缠一词,弄得好像粒子之间会有意识,有感应一样。不明白,当初物理学家为什么要给这个现象起了这么个名字。
二、量子力学小白
这就没什么可说的了,对量子力学完全不懂的人,而量子力学又没有经典的经验可以与之相对应,我们怎么解释也都是没有用的。
三、科普人的“误导”
其实这也是无心之过。科普本身就是为了要用通俗的语言把一件不好理解的事情说明白,而科学是严谨的,需要用数学语言进行精确描述。这样科普为了能让吃瓜群众好理解,必然失去科学的严谨性。
那么究竟什么是量子纠缠呢?
首先我们需要了解什么是量子。
那些普朗克常数能发挥明显作用的现象叫做量子现象,这些具有量子现象的微观粒子都可以看作是量子。所以量子不是某种粒子的称呼,而是具有量子现象的微观粒子的统称。
其次我们需要明白,微观粒子具有波粒二象性。
这个性质毫无疑问已经被大量的实验观测所证实。微观粒子跟我们宏观经验世界的物质不同,它们既是物质又是波,不是我们看到过的任何东西。
第三,全同粒子。
这是量子力学里面对同一类粒子的定义,比如所有的电子是全同粒子;所有的中子是全同粒子;所有的质子是全同粒子。
第四,全同粒子有一个特性叫做叠加态原理。什么意思呢,就是说,微观粒子我们不能把它们看作质点,它们的状态只能用波函数来描述。两个粒子的波函数是可以叠加的,道理就跟声波水波的叠加是一样的。
当两个全同粒子形成叠加态的时候,我们无法区分它们是哪个粒子。这个特性也来自波粒二象性。所谓的量子纠缠就是形成叠加态的两个全同粒子的状态。
由于波函数可以覆盖很广的区域,也就是说,即使距离几十公里,甚至是几光年以外,两个全同粒子也是有可能进入叠加态的。
就简单写到这里吧,由于不是写教程所以没有使用任何公式,难免也不够严谨,但是作为科普应该是够了。您需要记住一点,量子纠缠的关键点不是什么有意识参与,而是叠加态原理。
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▍⊰量子为什么会纠缠,本质原因是什么?
目前在现在科学界,不只是量子为什么纠缠以及纠缠的本质没有搞清楚,就连量子的定义也是很模糊的、模棱两可的。
什么是量子?管科是这样定义的:一个物理量如果有最小的单元且不可连续的分割,就说这个物理量是量子化的,并把最小的单元称为量子。
那么,什么是量子化的呢?又是这样定义的:“量子化”指其物理量的数值会是一些特定的数值,而不是任意值或连续值。
所以,现在有关量子的研究都是在利用形象思维,从现实入手进行研究。现在各国的研究都还处在现象统计、归纳、总结阶段,要想真正揭露量子的本质还有一个相当长的过程。
因此,要真正揭露量子纠缠的原因、以及量子纠缠的本质,就需要更长的时间才能实现。
但是,根据笔者的推测,量子既然是不连续的“最小单元”,那么它就应该是处在物质与能量的临界点上。根据其所处的自然状态不同,时而呈现物质特征,时而有呈现能量特征。
所以,量子纠缠就是一对量子通过能量的束缚或者叫沟通而进行的物质或信息联系。
因此,量子纠缠的本质就是物质与能量之间的相互制约或者叫牵制。
▍♨量子为什么会纠缠,本质原因是什么?
以传统物理理论解释不了量子纠缠现象,或者说量子作用的”非局域性”。在这里只能简要说明。
这一现象发生在1982年法国科学家阿斯派克特实际进行的爱因斯坦的EPR思想实验中。爱因斯坦和玻尔关于量子论中量子特性应怎样表述的长期争论,由于这个实验而结束,玻尔的哥本哈根解释占了上风。通过激发钙原子产生一对向相反方向运动的光子,当测量其中一个光子时,相距15米另一个装置中的光子立刻发生偏振。光子的作用並不是爱因斯坦所想应是局域性的,而表现为非局域性的,现在称为量子纠缠,为什么?必须有一个更基本的新概念物质形态,和从分析粒子反应式得到的新物质结构理论,才能解释。
什么是物质形态?就是粒子自旋,原子结构和星系结构共同的陀螺形态。为什么物质从小到大都是同样的形态?大自然必定存在一个共同的规律。这个基本、简单的形态结构对物理非常重要。物理难题从它来思考就变得简单协调统一了。物质形态结合新的物质结构规律,我们知道轻子中的光子电子都是两个中微子构成的(中微子有三代,大小不同)。其内结构应是双星环绕的形式。而大粒子和构成所有元素的质子和中子,其内结构都是电子为核心,中微子围绕电子旋转。原子核外层有分层排列的负电子,负电子也有反电子中微子围绕。因此,所有粒子、原子的作用首先是中微子场的作用。
这就好理解了,光子是一正一反两个中微子的组合(实验中光子通过等离子体时,离解成一对正反中微子),在激发钙原子,通过中微子结合产生两个光子时,中微子也被激发了,中微子场的联系在测量光子之前就巳经建立了。当测量其中一个时,另一个就必定同步有反应。而光子的作用仍然是局域性的,也没有超光速。任何物质之间的作用,仍存在有效作用距离,其场粒子能接触上才能有作用。並不存在在宇宙这头测一个电子,宇宙那一头的一个电子立刻就会有反应,这种超距离超光速是不存在的。而因激发同时产生的光子因联系已建立,它们的作用距离可以很远;不是因激发同时产生的光子之间,在有效作用距离之内才会有作用。
这告诉我们,物质的本质是简单的、质朴的,並不复杂,更不诡秘。
▍┯量子为什么会纠缠,本质原因是什么?
在低维世界看,量子纠缠不可思议,但实际上声音有音障,光也有光障。突破了音障,你将听不到发动机轰鸣,突破了光障,你将来到另外一个维度。当然,这需要超光速,但是超越光速就实现了量子跃迁,进入高维度世界。低维度观察纠缠态量子,将其分开很远,也会产生所谓的超距作用,那是因为在高维度,纠缠的量子根本就没有分开过,二者紧紧聚在一起,动一个另外一个就会立即受到影响。也就是说,在低维度空间,把量子分开很远,只是低维空间的动作,量子同时处于高维空间,高维属性不会变化。扩展说一下,如果你处于高维空间,把纠缠的量子分开,那么在低维空间比如我们现在的世界,就会看到瞬间转移。这也是未来我们人类所要采取的星际穿越方式。好了,不说了,编不下去了。
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