你是否曾試過揭開宇宙的終極謎團?這項挑戰似乎無邊無際,然而眾多的科學家和研究者獻出了一生的時光,尋求著那些最錯綜複雜生存議題的解答。
愛因斯坦被普遍視為破解了這些奧秘之謎的佼佼者,但有一個宇宙中的奇異現象,連這位天才也不知所措。他對此感到極其困惑,以至於賦予其一個全然不科學的稱謂——"鬼魅般的超距作用"。這個宇宙中的奇異現象,通常被我們稱作"量子糾纏"。
數十年的持續研究雖未能提供確切的量子糾纏機理解釋,科學家們還是收穫了一些洞見,不妨隨我們一探目前關於量子糾纏研究的最新進展。
想象你手中能握住的最微小之物,小到仍能用肉眼辨別。就拿沙粒來說,它是一個極佳的例子。一顆沙粒大約由50億億個原子構成。人類對於原子級別的理解還非常淺顯,但讓我們深入下去。
在這50億個原子深處,存在著亞原子粒子。電子直到1897年才被首次確認。在那之後的一個世紀裡,我們又陸續發現了十幾種類型的亞原子粒子,例如夸克、介子、引力子、中微子等。
這些亞原子粒子中的一些被視為“基本”粒子,它們不可再分割;而原子作為複合粒子,由多個亞原子粒子構成。粒子物理學家和大型強子對撞機的操作者們對這些粒子著迷不已。
世界各地的研究者們正熱切地探索這些粒子,但他們發現牛頓的經典物理學定律在亞原子世界並不總是適用,因此需要全新的物理理論。科學家們發展出了量子物理學這一全新的分支,為理解這些亞原子粒子構建了框架。
如今,我們可以透過測量某些與時空位置有關的資訊來掌握亞原子粒子的狀態。其中最有用的資訊是“自旋”,由粒子的角動量來定義。儘管如此,自旋本身並非“可直接觀測”的,因為它們只能透過攜帶量子數的可測量亞原子能量包來間接獲得資料。此外,亞原子粒子無法改變其自旋速度,卻可以改變自旋方向。
量子世界基於機率狀態(通常稱為疊加狀態)運作,這意味著粒子在被測量之前,會同時存在於所有可能的狀態中。諷刺的是,僅當進行測量時,波函式才會坍塌,自旋才變得可測量。
現在,考慮一個簡單的亞原子粒子:光子。在測量之前,它處於各個方向旋轉的疊加狀態。透過適當的照射方式,可以將一個光子分成兩個,而你將會得到兩個重疊的光子。測量其中一個粒子時,最不可思議的事便會發生……它們都脫離了波函式的範圍,如同愛麗絲和鮑勃那樣。
回想前面提到的量子數,假設原始光子的自旋值為零。當它被分為兩個光子時,兩個光子的自旋會相反,以保持零態。如果其中一個光子的自旋被反轉,另一個也會相應反轉。
讓愛因斯坦感到困惑的是,這種變化是瞬時的。他認為,即使在微觀尺度上,資訊的傳遞也必須透過光、能量、波等,但實際情況並非如此。兩個亞原子粒子間似乎存在某種神秘的聯絡,即使相隔甚遠,改變其中一個粒子的狀態會立即影響到另一個。
這種現象被稱作“量子糾纏”,這一術語最初由量子力學的另一位早期理論家歐文·薛定諤提出。
鑑於沒有任何物體能超過光速移動,而自旋狀態的這種“即時”變化顯示資訊傳遞速度比“光速極限”快了數千倍,這讓本世紀的許多思想家陷入了困境。
量子糾纏有沒有合理的解釋呢?
理論上講,即使兩個粒子相隔數百萬光年,它們仍然能瞬間相互抵消運動,鎖定在永恆的宇宙聯絡中。目前,記錄中最遠的兩個糾纏粒子距離約為1400公里,這一紀錄由中國量子科學家創造,他們成功地讓地面上的粒子與“墨子號”衛星近地軌道上粒子產生了糾纏。
多年以來,這個概念一直困擾著人們,因為它違背了宇宙中最基本的定律之一:兩個粒子間的資訊傳遞不可能超過光速,然而事實似乎就是這樣。
糾纏並不侷限於兩個粒子;2014年的一項研究成功地糾纏了約500,000個粒子,表明當你測量或更改其中任何一個成分時,整個粒子云“群體大腦”會即刻做出反應。
讓我們從宏觀角度來看一下“大爆炸”,這是指整個宇宙從一個單獨的粒子爆炸並開始膨脹的那一刻(並且這一膨脹從未停止!)。根據我們對糾纏粒子所瞭解的奇特性質,可能有糾纏的粒子遍佈於整個宇宙中。每個粒子可能都與另一個或一大群粒子糾纏在一起!
可能存在數十億個透過量子糾纏緊密聯絡在一起的粒子,這意味著地球上的一次微不足道的自旋位移可能在月球背面或銀河系的另一端產生相應的亞原子結果!
科學家們不喜歡無解的謎題,所以愛因斯坦和他的朋友們對量子糾纏的出現回應說,量子理論是“不完整”的,缺少了一些基本的概念或物質。接著,薛定諤、愛因斯坦和其他理論物理學家提出了一系列的“思想實驗”,嘗試去解釋量子糾纏的奇異事實,彷彿他們拒絕承認自己並不知道答案。這些思想實驗在過去六十年裡得到了充分的驗證,然而“遠方的詭異之事”依舊存在。
到目前為止,我們對量子糾纏和量子世界的秘密還沒有完全瞭解,但已經發現了一些可能的應用,如量子計算和糾纏粒子組成的統一網路(這兩者都有可能改變我們所知的世界)。