关于量子力学,或许没有比“奇异”一词更合适的描述了。甚至连科学家们也承认,没人能够真正通透量子力学,这足以说明量子力学的复杂程度,它的不可思议之处。
正是因为量子力学的复杂难解,市场上某些人士便开始动起歪脑筋,以量子力学这一前沿科技为名,开启了“忽悠”之旅,比如他们会提到“量子波动速读”,声称利用“量子纠缠”与人的大脑互动,能瞬间读懂一本书的内容。
你可别笑,还真有那么一些人被骗了。这不奇怪,一般人对于量子纠缠是何方神圣并不了解,只能听信别人的忽悠,那些人说量子纠缠与大脑有心灵感应,甚至与灵魂有关。
但量子纠缠,确实存在于量子力学,一个真实而诡异的现象。现代科技中,物理学家们也能利用量子纠缠为人类服务。
那么,量子纠缠到底为何物?为何它能比光速还快?我们能否借此实现瞬间移动?
首先,量子力学的中心思想是“不确定性原理”,也叫做“测不准原理”,量子纠缠现象正是基于这个原则。
简单来说,“不确定性原理”意味着我们不能同时测准微观粒子的位置和速度(动能),这违反了我们的直观理解。
比如,一辆汽车从你旁边飞驰而过,我们很容易计算出它在特定时刻的位置和速度,但这在微观世界是不成立的。
在量子世界,我们只能通过光的反射来测粒子的位置和速度。比如,我们要测一个电子的位置和速度,就需要有光从电子反射到我们的眼睛。不管是肉眼还是科学仪器,都离不开光的反射。
但是微观粒子如电子质量极小,容易受光子照射的影响。理论上,为了测得电子的精确位置,需要用到短波长的光,而这种光的能量大,对电子的干扰也大,那么速度就很难测准了。
反之,如果我们要测电子的精确速度,就要用长波长的光,但这样一来,电子的位置就很难测得精确了。
这就尴尬了,就像“鱼和熊掌不可兼得”。为了获得一个微观粒子的精确位置(或速度),我们必须放弃对速度(或位置)的精确度。
但在宏观世界,这不成问题。以汽车为例,因为汽车与光子的质量差极大,光对汽车的影响微乎其微,所以我们可以轻易地测得汽车的位置和速度。
这就是不确定性原理,微观世界的粒子只能用概率来描述,而描述这一概率的数学工具叫做“波函数”。当我们观测微粒时,波函数就会“坍缩”,变为确定的粒子状态。
也就是说,在我们观测前,微观粒子的状态是模糊的,而一旦观测,粒子的状态就确定了。我们的观测行为直接影响了粒子的状态。
在宏观世界,这种情形是不可想象的。爱因斯坦甚至用“不看月亮时,它就不存在吗?”来质疑不确定性原理。爱因斯坦和薛定谔等科学家认为,量子力学背后还隐藏着更多未知的奥秘,不能简单用“不确定性原理”来解释量子世界的奇异之处。
其中,薛定谔提出了一个著名的思想实验:“薛定谔的猫”,以此讽刺波尔的不确定性理论(具体内容这里不展开)。
而基于不确定性原理,哥本哈根学派提出了量子纠缠这一诡异现象,被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”。量子纠缠的速度远超光速,甚至能超过光速一万倍,这显然与爱因斯坦的相对论相悖。
我们来举个例子:假设有一双手套分别装在两个袋子里,无论这两个袋子相距多远,哪怕是宇宙的两端,只要我们打开一个袋子,发现是左手套,那么另一个袋子里肯定是右手套,我们能即刻知道“右手套”的信息。
这双手套就像是纠缠中的微观粒子,能即刻感应彼此。就像“约定”好一样:你是左,我就是右。
按照量子力学的不确定性原理,两只手套在没打开前一直处于模糊的叠加状态,也就是一个袋子里既可能是左手套也可能是右手套。但这不可能,手套一旦放进袋子,即使我们不观测,手套的状态已经确定。
波尔的解释是:两只手套在放进袋子的一瞬间,状态已经“坍缩”确定,之后的观测没有影响。他认为这种思想实验不成立。
波尔和爱因斯坦两个学派的辩论持续了多年。到了上世纪六十年代,贝尔做了实验,证明纠缠中的光子“相互沟通”的速度确实远超光速。后来许多科学家做了类似实验,证明量子纠缠是真实存在的。
那么,速度远超光速,是否意味着爱因斯坦的相对论被推翻了呢?
答案是否定的。尽管量子纠缠的速度快于光速,但纠缠的粒子间并没有传递信息,它们是作为一个整体表现的。测量一个粒子肯定会影响另一个的状态。由于没有信息传递,我们自然不能用量子纠缠来传递信息,或者进行瞬间移动。
而我们正在发展的量子通讯,其实并不是“超光速传递信息”,而是利用量子纠缠进行“加密”。由于微观粒子的不确定性,科学家们可以利用纠缠粒子生成密码,这种密码是随机的,不可破解。
而且,如果有人试图破解密码,肯定会对纠缠中的粒子造成影响,使得纠缠的粒子立刻“坍缩”,这种改变可以立即被监测到:有人试图破解密码!
因此,尽管量子纠缠很诡异,但这并不违反爱因斯坦的相对论,我们无法利用量子纠缠进行超光速操作。
量子力学和相对论是现代物理学的两大支柱,通常所说的“量子力学与相对论不协调”指的是量子力学与广义相对论的不协调,后者强调时空是非连续的,而前者则认为时空是连续的。但实际上,量子力学与狭义相对论并不矛盾。