什么是量子纠缠,为何它的速度可以超光速,难道违反了相对论?

星空承载梦想 2024-09-25 08:58:21
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地球是一颗美丽的蓝色星球,在地球上生活着各种各样的生物,有海洋生物,有陆地生物,有两栖生物和微生物等等,人类作为地球上最有智慧的生命,从诞生以后就开始不断的研究和探索世界的奥秘,经过几千年的科技发展,现在人类已经能够走出地球探索宇宙,这说明人类科技发展的速度很快,当人类走出地球之后,人类的好奇心被宇宙的浩瀚所吸引,人类想要知道宇宙到底有多大?带着这些疑问,人类走上了探索宇宙的道路,现在人类已经发射了很多探测器,其中比较著名的有旅行者1号和2号探测器,旅行者号探测器原名水手11号和水手12号,旅行者1号于1977年9月5日发射,旅行者2号于1977年8月20日发射,旅行者2号先发射16天,但旅行者1号的轨道更快。

旅行者 1 号 1979 年 3 月 5 日在距木星 27.5 万公里处与木星会合,拍摄了木星及其卫星的几千张照片,发现木星周围有光环,还探测到木星的卫星上有火山爆发活动;旅行者 2 号于 1979 年 7 月 9 日到达木星附近,从木星及其卫星中间穿过,在距木星 72 万公里处拍摄照片。1980 年 11 月 13 日和 1981 年 8 月 26 日,两个探测器分别飞近土星考察。旅行者 1 号掠过土星时,发现成千上万的光环群,还重新测定了土卫六的直径,发现了土星的几颗新卫星;旅行者 2 号则对新发现的土星环和几个卫星作了近距离探测,向地球发送回一万多张照片。旅行者 2 号在 1985 - 1989 年之间先后探测了天王星和海王星。它于 1985 年 11 月 4 日开始接近天王星,1986 年 1 月 24 日从距天王星最近点飞过;1989 年 8 月 24 日飞临海王星北极的 4827 千米上空,向地球发回 6000 多张彩色照片。

通过旅行者1号和2号传回的数据,科学家对太阳系的了解越来越多,不过旅行者号探测器到现在已经飞行了40多年,依然没有飞出太阳系,科学家经过研究发现,如果按照旅行者号探测器的飞行速度,想要完全飞出太阳系至少需要上万年的时间,对于人类来说,上万年的时间实在是太漫长了,所以人类想要飞出太阳系还需要想其它办法,根据科学家的研究发现,在量子力学当中,有一种现象能够实现超光速飞行,这个现象就是量子纠缠,一说到量子纠缠,就不得不说量子力学的由来。在17、18世纪,以牛顿、伽利略、麦克斯韦等科学家代表创立的经典物理学逐渐发展,丰富和完善,并在19世纪达到顶峰,牛顿力学、麦克斯韦电磁理论、热力学与统计物理学等能解释宏观世界中的各类物理现象。

到了19世纪末、20世纪初,人类发现了很多经典物理学理论无法解释的新现象,主要有三个:黑体辐射、光电效应以及原子的线型光谱和原子结构,1900年普朗克为解决用经典理论解释黑体辐射规律所出现的紫外灾难,提出了能量子概念,打破了传统物理学思维,开始了量子物理的诞生,1905年爱因斯坦针对光电效应提出了光量子的假设,指出光的能力在空间不是连续分布的,光的产生、传播和吸收过程中都具有量子性,并且揭示了光具有波粒二象性,1913年玻尔在核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。提出原子中的电子只能够在分立的轨道上运动,在19世纪的时候,众多科学家普朗克、玻尔、海森堡、薛定谔、爱因斯坦等人一起创立了量子力学,量子力学是描述微观物体的理论,它和相对论被称为是现代物理学的两大支柱。

量子力学的基本概念包括了量子态,测量波粒二象性、不确定性原理,在量子力学当中,粒子不能够像经典物理学那样,能够按照轨迹行动,而是以波的形式表述,其行为具有不确定性和统计性质,同时量子力学也描述了粒子之间相互作用,以及他们如何通过发射和吸收光子等方式传递信息,而量子纠缠是量子力学当中一个非常神秘而诡异的现象,爱因斯坦将其称为是鬼魅般的超距作用,这一现象展示了量子力学和宏观物理世界有着截然不同的行为方式,并且挑战了我们对传统世界的理解,量子纠缠描述的是两个或者多个量子系统之间存在的一种特殊的关联性。当两个两个量子系统处于纠缠状态的时候,对其中一个系统进行测量,会瞬间影响到另一个系统的状态,无论它们之间距离有多远,这种影响都是瞬间完成的。

它已经超越了时间和空间的限制,假如说我们将两个配对好的粒子,一个放在地球上,另一个放在火星上,在没有测量之前我们无法知道粒子的自旋状态,因为它是处于叠加态,即粒子的自旋方向可能是上也可能是下,而一旦测量到地球的粒子自旋方向为上时,那么远在月球的粒子就必然会为下,并且这两个粒子无论相距多远都会瞬间感应的,其速度远远超过了光速,从微观层面来看,量子纠缠的产生源于量子系统的叠加态。在量子力学中,一个量子系统可以同时处于多种状态的叠加。当两个量子系统相互作用后,它们就可能形成纠缠态。例如,考虑两个自旋为 1/2 的粒子,它们可以处于自旋向上或自旋向下的状态。如果这两个粒子处于纠缠态,那么当我们测量其中一个粒子的自旋为向上时,另一个粒子的自旋瞬间就确定为向下,反之亦然。

看到这里,相信很多人都会产生一个疑问,既然量子纠缠的速度能够瞬间完成,这远远超过了光速,是不是违反了爱因斯坦光速不可超越的理论?因为光速是速度的极限,任何有质量的物体都无法达到光速,更不可能超越光速,在爱因斯坦的侠义相对论中,光速是不变的,这个理论指出,真空中的光速在任何惯性参考系中都是恒星的,大约是30万公里每秒,这意味着无论观测者处于哪种运动状态,测量到的光速都是一样的,比如说当一个人静止在地面上测量一束光的速度,和他在高速行驶的火车上测量同一束光的速度时,结构都是相同的,根据爱因斯坦的质能方程式E=mc^2,当物体的速度增加之后,其质量也会随之增加,当物体的速度接近光速的时候,质量会变得无限大,要使得一个质量无穷大的物体继续加速,就需要无穷大的能量。这在现实中是不可能实现的。

既然如此,那么量子纠缠到底有没有违背爱因斯坦的理论?科学家认为量子纠缠并没有违反爱因斯坦的理论,原因有三点:

1、不涉及信息和物质的传播

量子纠缠只是描述两个或多个量子系统之间存在的一种特殊关联。当对其中一个系统进行测量,另一个系统的状态会瞬间确定,但这过程中没有物质或有意义的信息在两个系统之间以超光速的方式传播。它更像是一种系统的内在属性,而不是物体在空间中移动或信息的传递。

2、无法用于超光速通信

虽然量子纠缠中一个粒子的状态改变会瞬间影响另一个粒子,但这种影响是随机的,不能被控制来传递特定的信息。在通信中,需要发送者能够编码信息并将其传输到接收者,而量子纠缠的随机性使得无法利用它来实现超光速的通信,也就不违反相对论中关于信息传递速度不能超光速的限制。

3、遵循相对论的基本假设

爱因斯坦的相对论的基础之一是光速不变原理,指的是真空中光速在任何惯性参考系中都是恒定的,量子纠缠并不影响这个原理,它是在量子力学范畴内的一种特殊的现象。和相对论所描述的物质在空间中的运动和信息传递有着本质的区别。

目前科学家们也在积极的研究量子纠缠的奥秘,量子纠缠对于人类来说意义重大,在通信领域它具有极高的安全性,能够用于密钥分发,利用量子纠缠的特性,一旦有人试图窃听量子通信过程,量子态就会发生坍缩,通信双方能够立即察觉,从而确保通信的绝对安全,这种安全机制能够为军事、金融、政务等对信息安全要求极高的领域提高了可靠性,在计算领域,量子纠缠和叠加的原理,以量子比特为基本信息单位进行计算,相比于传统的计算机,量子计算在处理某些特性任务时,比如说大整数的因子分解、复杂的数据库搜索等。能够快速的解决经典计算机难以解决的问题,这对于人类来说将是革命性的突破。

量子纠缠只是量子力学当中的一个特殊现象,在量子力学当中,有很多人类无法理解的理论,比如说薛定谔的猫、双方干涉实验等等,这些对于普通人来说,都是颠覆性的理解,就连很多著名的科学家对量子力学都给予了高度评价,曾经著名的科学家爱因斯坦说:如果量子力学是正确的,那么这个世界就有点疯狂,波尔曾经说:谁要不为量子力学理论感到惊讶,那是因为它还不了解这个理论,费曼先生说:我想我可以相当有把握的说,没人能够真正看懂量子力学。量子力学的发展引发了广泛的哲学思考,涉及到实在性、因果性、观察者效应等问题,它对传统哲学观念提出了挑战,促使哲学家和科学家重新思考人类对世界的认知方式和科学研究的方法论。虽然现在我们已经在量子力学已经取得了巨大的成功。

但是依然存在一些未解之谜,比如说量子力学和广义相对论的统一问题,在我们的宇宙中,有四大基本作用力,它们分别是强相互作用力、弱相互作用力、电磁力和引力,在经典物理学中,我们能够解释引力,但是无法解释其他三种作用力,在量子力学当中,我们能够解释强相互作用力、弱相互作用力、电磁力,但是无法解释引力,按理来说,宇宙是一个统一的整体,所有的理论都能够融会贯通,既然相对论和量子力学没有办法融合在一起,这就说明相对论和量子力学还存在一些漏洞,或者说在量子力学和相对论中间,还有一些人类没有发现的理论知识,使得它们无法完美的融合在一起,为此科学家也想了很多办法,科学家将宇宙的维度空间提升到十一维度空间,相对论和量子力学就能够完美的结合在一起。

所以有很多科学家认为,我们的宇宙空间应该存在十一个维度空间,而我们现在所在的维度处于三维空间,三维空间就是由长度、宽度、高度所组成的,对于其它的维度空间,现在科学家还没有发现,可能不同的维度空间存在不同的规则,人类现在的科技还无法进入其它的维度空间,也或许其它的维度空间根本不存在,这只是人类的一种猜测,在我们的宇宙中,还存在很多人类不知道的奥秘,小编认为,人类作为地球上最有智慧的生命,人类的科技在不断的进步和发展,虽然现在人类还无法解开宇宙中全部的奥秘,但是未来随着人类科技的进步,人类一定能够解开更多的奥秘,希望人类能够早日实现自己的梦想,对此大家有什么想说的吗?

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简介:本人爱好天文,擅长写科学领域的文章