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量子世界的诡异性超乎想象,连因果关系都能完全颠覆!

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宇宙时空 2021-04-16 22:24

量子物理实验挑战了我们所熟知的因果逻辑,甚至会动摇“时间”的概念。

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爱因斯坦在散步的时候,要穿过两扇门。他先穿过一道绿门,然后穿过一道红门。

或者他也可以先穿过红门,再穿过绿门。两种选择,非此即彼。按照一般的思维,他通过这两扇门时一定有先后次序,对吧?

但如果是在维也纳大学菲利普·沃尔特的实验室里,如果爱因斯坦能够乘着光子飞行的话,或许情况就没那么简单了。

2015年的这一发现,让科学家意识到,量子物理要比他们此前的理解更加匪夷所思。

沃尔特的实验向“一件事导致了另一件事”的因果逻辑发起了挑战,仿佛是物理学家搅乱了时间这个概念本身,让时间向两个方向流逝。

如果用日常的思维来理解,那这简直就是胡扯。但在量子理论的数学体系中,因果关系上的模糊性是完全符合逻辑且自洽的。

研究人员还认为,利用人为制造的因果关系模糊的物理系统,我们便可以探索更加广阔的物理领域。有人提出,非因果系统可以用于推动颇具潜力的量子计算的发展。

香港大学的量子理论学家朱利奥·奇里贝拉说:“如果量子计算机能够不受因果规律的限制,那么它就有可能在解决某些问题时比经典计算机速度更快。”

更重要的是,理解量子力学的“因果结构”,理清事件之间是否存在先后顺序,或许有助于我们接受量子理论、形成量子直觉。

目前,我们在理解量子物理的时候,总是把光子描述成一种既是波又是粒子的物质,总是认为事件被不确定性笼罩着,但这样的语言还是十分拗口。

此外,由于因果律是关于物体之间如何通过时空产生相互作用的规律,这种新的视角或许能够帮助我们迈向量子力学与广义相对论的统一理论。

量子力学与广义相对论是现代物理学的两大基石,而两者之间互不相容,这也构成当今物理学最大的挑战之一。

混乱的时间

20世纪30年代,尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡将随机性引入量子理论,而爱因斯坦多次对此提出质疑。自此,因果性就是一直量子力学中的一个关键问题。

玻尔与海森堡构建的量子力学哥本哈根诠释坚持认为,量子测量,例如测量一个线偏振光子的偏振方向,其结果是随机的,并且只在测量的瞬间才被决定下来,我们也完全无法解释为何出现这个测量结果。

1935年,爱因斯坦和他的助手鲍里斯·波多尔斯基、内森·罗森(根据其姓氏首字母,合称EPR)提出了一个著名的思想实验。他们利用玻尔对量子力学的解释,推导出了一个貌似不可能的结论。

EPR的思想实验中,A、B两个粒子处于相互影响的状态,也就是“纠缠态”。这里我们用自旋来举一个纠缠态的例子。

自旋是粒子的一种量子特性,你可以把它想象成一个小磁铁,磁铁的N极就是自旋所指的方向。

对于A、B两个粒子,如果 A的自旋朝上,则B的自旋一定朝下,反过来如果 A的自旋朝下,则B的自旋一定朝上。

在这样的纠缠态中,我们只有进行测量,才能够确定两个粒子究竟处于什么样的自旋状态。根据哥本哈根诠释,测量不仅仅让我们获知粒子的状态,还会使得粒子“固定”在我们所测得的状态。

而对于纠缠态的粒子,不论它们相距多远,对A的测量在固定了A的状态的同时,也固定了B的状态,仿佛在测量的瞬间,A与B之间产生了某种相互作用。

爱因斯坦不能接受这种跨越遥远距离而瞬间发生的相互作用(即“超距作用”),因为这意味着相互作用的传递速度超过光速,违背了狭义相对论。

爱因斯坦坚信,这一悖论源于哥本哈根解释不够完备。在测量之前,A、B粒子必定已经有了明确的状态。

然而,随着实验手段的进步,科学家对纠缠态粒子进行实际测量后发现,粒子之间的关联性无法用“粒子的状态在测量前就已经确定”来解释。

但同时这种关联性又不违背狭义相对论,因为它并不能传递信息,不会导致信息超光速。那么这种关联是怎样产生的呢?这确实很难用符合我们直觉的因果关系来解释。

乍看上去,哥本哈根诠释至少还保留有正常的时序逻辑:一次测量并不会影响到测量之前所发生的事件。

如果事件A要对事件B产生影响的话,那么A一定要先于B而发生。然而,最近十年间,这个最基本的时序逻辑也开始动摇。

研究人员已经构想出了特定的量子情境,以至于我们无法判断关联事件中究竟是何者发生在前。

在经典物理中不可能有这样的情境。就算我们不知道甲乙谁先发生,它们也必定有一个先发生,一个后发生。

而在量子物理中,不确定性不是由于我们没有获取足够的信息;这是一种根本上的不确定性,在测量之前根本就不存在所谓的“实际状态”。

模棱两可的因果关系

到了2016年,沃尔特团队设计了一种实验方法,可以在光子经过两个逻辑门的过程中对其进行测量,而又不会立即改变观察者已知的信息。

具体做法,是让光子自身携带这个测量结果,而不立即提取。

光子在经过整个光路后才会被探测器接收到,观察者直到此时才能获知光子携带的测量结果,因此无法利用光子携带的信息来推断光子经过逻辑门的顺序。

这就好比别人在旅行途中记录自己的感受,等到旅行归来再与你分享这些记录,你是没办法根据这些信息来推测他具体是在何时何地记录下这些文字的。

最终,沃尔特团队证实,只要观察者不知道具体的测量结果,那么测量就不会破坏因果叠加态。沃尔特r说:“我们等到整个实验过程进行完毕,才提取了途中测量的结果。

光子飞行途中,测量结果以及测量发生的时间都是未知的,但仍然对最终的结果产生了影响。还有一些研究组也在用量子光学的方法在实验中研究因果关系的不确定性。

在加拿大,滑铁卢大学和圆周理论物理研究所的研究团队制造了一个可以操控光子状态的量子线路,以此获得了另一种因果混合状态。

实验中,光子先后通过A门、B门,但光子的状态取决于两种不同的因果逻辑的混合;

要么是A门的作用决定了B门的作用,要么是A、B两门的作用共同由其他事件决定——这就好比,高温天气会增加晒伤病例,也会增加冰激凌的销量,但晒伤与冰激凌之间并没有直接的因果关系。

滑铁卢大学的实验结论与维也纳大学的实验结论一致:我们无法根据最终测得的光子状态判断先前事件之间的因果关系。

基于这些挑战因果直觉的实验,我们或许能够开发出新的通信方式。光子作为一个信号,其经过两个逻辑门的顺序是叠加态,这可以视为两者同时向对方发送信息。

简单地讲,这就是一种事半功倍的通信方式。也许,这当中还暗藏着信息处理的捷径。

人类早已了解到,量子叠加态和纠缠态可以用来对某些特定的计算做指数级别的加速,但这里涉及的都是经典的因果结构。

利用量子因果叠加态天然具备的双向同步通信潜力,我们或许可以进一步提升量子信息处理的速度。当你有了一个颠覆性的理论时,就必须要有更加颠覆性的思维才能够理解它。

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