關於量子力學,或許沒有比“奇異”一詞更合適的描述了。甚至連科學家們也承認,沒人能夠真正通透量子力學,這足以說明量子力學的複雜程度,它的不可思議之處。
正是因為量子力學的複雜難解,市場上某些人士便開始動起歪腦筋,以量子力學這一前沿科技為名,開啟了“忽悠”之旅,比如他們會提到“量子波動速讀”,聲稱利用“量子糾纏”與人的大腦互動,能瞬間讀懂一本書的內容。
你可別笑,還真有那麼一些人被騙了。這不奇怪,一般人對於量子糾纏是何方神聖並不瞭解,只能聽信別人的忽悠,那些人說量子糾纏與大腦有心靈感應,甚至與靈魂有關。
但量子糾纏,確實存在於量子力學,一個真實而詭異的現象。現代科技中,物理學家們也能利用量子糾纏為人類服務。
那麼,量子糾纏到底為何物?為何它能比光速還快?我們能否藉此實現瞬間移動?
首先,量子力學的中心思想是“不確定性原理”,也叫做“測不準原理”,量子糾纏現象正是基於這個原則。
簡單來說,“不確定性原理”意味著我們不能同時測準微觀粒子的位置和速度(動能),這違反了我們的直觀理解。
比如,一輛汽車從你旁邊飛馳而過,我們很容易計算出它在特定時刻的位置和速度,但這在微觀世界是不成立的。
在量子世界,我們只能透過光的反射來測粒子的位置和速度。比如,我們要測一個電子的位置和速度,就需要有光從電子反射到我們的眼睛。不管是肉眼還是科學儀器,都離不開光的反射。
但是微觀粒子如電子質量極小,容易受光子照射的影響。理論上,為了測得電子的精確位置,需要用到短波長的光,而這種光的能量大,對電子的干擾也大,那麼速度就很難測準了。
反之,如果我們要測電子的精確速度,就要用長波長的光,但這樣一來,電子的位置就很難測得精確了。
這就尷尬了,就像“魚和熊掌不可兼得”。為了獲得一個微觀粒子的精確位置(或速度),我們必須放棄對速度(或位置)的精確度。
但在宏觀世界,這不成問題。以汽車為例,因為汽車與光子的質量差極大,光對汽車的影響微乎其微,所以我們可以輕易地測得汽車的位置和速度。
這就是不確定性原理,微觀世界的粒子只能用機率來描述,而描述這一機率的數學工具叫做“波函式”。當我們觀測微粒時,波函式就會“坍縮”,變為確定的粒子狀態。
也就是說,在我們觀測前,微觀粒子的狀態是模糊的,而一旦觀測,粒子的狀態就確定了。我們的觀測行為直接影響了粒子的狀態。
在宏觀世界,這種情形是不可想象的。甚至用“不看月亮時,它就不存在嗎?”來質疑不確定性原理。愛因斯坦和薛定諤等科學家認為,量子力學背後還隱藏著更多未知的奧秘,不能簡單用“不確定性原理”來解釋量子世界的奇異之處。
其中,薛定諤提出了一個著名的思想實驗:“薛定諤的貓”,以此諷刺波爾的不確定性理論(具體內容這裡不展開)。
而基於不確定性原理,哥本哈根學派提出了量子糾纏這一詭異現象,被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”。量子糾纏的速度遠超光速,甚至能超過光速一萬倍,這顯然與愛因斯坦的相對論相悖。
我們來舉個例子:假設有一雙手套分別裝在兩個袋子裡,無論這兩個袋子相距多遠,哪怕是宇宙的兩端,只要我們開啟一個袋子,發現是左手套,那麼另一個袋子裡肯定是右手套,我們能即刻知道“右手套”的資訊。
這雙手套就像是糾纏中的微觀粒子,能即刻感應彼此。就像“約定”好一樣:你是左,我就是右。
按照量子力學的不確定性原理,兩隻手套在沒開啟前一直處於模糊的疊加狀態,也就是一個袋子裡既可能是左手套也可能是右手套。但這不可能,手套一旦放進袋子,即使我們不觀測,手套的狀態已經確定。
波爾的解釋是:兩隻手套在放進袋子的一瞬間,狀態已經“坍縮”確定,之後的觀測沒有影響。他認為這種思想實驗不成立。
波爾和愛因斯坦兩個學派的辯論持續了多年。到了上世紀六十年代,貝爾做了實驗,證明糾纏中的光子“相互溝通”的速度確實遠超光速。後來許多科學家做了類似實驗,證明量子糾纏是真實存在的。
那麼,速度遠超光速,是否意味著愛因斯坦的相對論被推翻了呢?
答案是否定的。儘管量子糾纏的速度快於光速,但糾纏的粒子間並沒有傳遞資訊,它們是作為一個整體表現的。測量一個粒子肯定會影響另一個的狀態。由於沒有資訊傳遞,我們自然不能用量子糾纏來傳遞資訊,或者進行瞬間移動。
而我們正在發展的量子通訊,其實並不是“超光速傳遞資訊”,而是利用量子糾纏進行“加密”。由於微觀粒子的不確定性,科學家們可以利用糾纏粒子生成密碼,這種密碼是隨機的,不可破解。
而且,如果有人試圖破解密碼,肯定會對糾纏中的粒子造成影響,使得糾纏的粒子立刻“坍縮”,這種改變可以立即被監測到:有人試圖破解密碼!
因此,儘管量子糾纏很詭異,但這並不違反愛因斯坦的相對論,我們無法利用量子糾纏進行超光速操作。
量子力學和相對論是現代物理學的兩大支柱,通常所說的“量子力學與相對論不協調”指的是量子力學與廣義相對論的不協調,後者強調時空是非連續的,而前者則認為時空是連續的。但實際上,量子力學與狹義相對論並不矛盾。