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量子纠缠的原理是什么?真的可以“超光速”吗?

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宇宙时空 2021-04-18 22:04

你曾经试图解开宇宙之谜吗?这项任务似乎相当艰巨,但有很多科学家和研究人员花了一生的时间试图找到最矛盾的生存问题的答案。

爱因斯坦被认为解开了这些奇妙谜团最杰出一位科学家,但是世界上有一个奇怪的现象,即使是伟大的阿尔伯特·爱因斯坦也感到困惑。他是如此的困惑,以至于他给它取了一个绝对不科学的名字——"远处的怪异行为"。这个奇怪的宇宙现象,通常被称为"量子纠缠"。

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经过了几十年的不断研究,科学家们虽然还不能确切的解释量子纠缠的原理,但也获得了一些研究成果,让我们一起看看科学家们目前关于量子纠缠研究取得的一些成就。

我们周围的小世界

试想像一下,您可以握在手中的最小物品,且仍然可以用眼睛看到。在此示例中,沙粒是很好一个列子。这是一颗沙粒,它包含约50亿亿个原子。大脑理解原子尺度的能力非常有限,但我们将进行更深入的研究。

在这50亿个原子中,有一个更深层次的亚原子粒子,直到1897年电子被首次命名时才发现。从那时起的一个世纪左右,我们发现了十几种其他类型的亚原子粒子,包括夸克,介子,引力子,中微子等等。

其中一些亚原子粒子是“基本”粒子,这意味着它们无法进一步分解,而原子是复合粒子,这意味着它们是由多个亚原子粒子组成的。原子令使用大型强子对撞机(LHC)的粒子物理学家和操作员着迷。

世界各地的研究人员都对这些粒子进行了热切的研究,但人们发现,牛顿物理学的传统定律并不总是适用于亚原子世界,因此需要一种新的物理思想。科学家开发了一个全新的物理学分支(量子物理学),以创建一个可以理解这些亚原子粒子的框架。

亚原子粒子悖论

现在,我们可以基于有关时空位置的某些信息来测量亚原子粒子。最有用的信息是“旋转”,它是由粒子的角动量定义的。这种自旋本身不是“可观察到的”,因为该数据仅通过可测量的亚原子能数据包获取(并因此分配了量子数)。现在,亚原子粒子无法改变其旋转速度,但可以改变方向。

量子世界基于概率状态(通常称为叠加)的概念进行操作,这意味着这些粒子同时存在于每个状态中,至少直到研究人员尝试对其进行测量为止。具有讽刺意味的是,在测量时,波形会崩溃并且可以测量自旋。

现在,让我们考虑一个简单的亚原子粒子:光子。在测量该光子之前,它是一次叠加在各个方向上旋转的。通过在适当的介质上照射光,可以将一个光子分成两个光子,到那时,您将有两个光子重叠。当您测量这两个粒子之一时,最奇怪的事情就会发生……它们都落在波形之外,就像下面的爱丽丝和鲍勃一样。

现在,还记得前面提到的那个量子数吗?假设原始光子的自旋值为零。当您将其分成两个光子时,两者将沿相反的方向旋转,从而保持零态。如果反转一个光子的自旋,则另一个也将反转。

困扰爱因斯坦的悖论是这种变化是瞬间发生的。爱因斯坦认为即使尺度很小,也仍然必须通过光、能量、波等来传递信息,但事实并非如此。两个亚原子粒子以某种方式链接在一起,即使两个粒子相距很远,更改一个原子也会立即更改另一个原子。

这种莫名其妙的现象被称为“量子纠缠”,这个术语最初是由量子世界的另一位早期运用者和理论家欧文·薛定谔(ErwinSchrödinger)创造的。

  • 图注:薛定谔的猫

鉴于宇宙中没有任何事物能够以比光速更快的速度运动,并且自旋状态的这种“瞬时”变化揭示了信息传递比“通用速度极限”快数千倍,因此本世纪最伟大的思想家们真正陷入了困境 。

量子纠缠有什么解释吗?

从理论上讲,即使这些粒子相隔数百万光年,它们仍然会瞬间抵消彼此的运动,并锁定它们在整个宇宙中永恒的联系。到目前为止,两个纠缠的粒子之间的最远距离约1400公里,这一项记录是由中国量子科学家创造,将地面上粒子与近地轨道上飞行“墨子号”卫星上粒子产生纠缠。

  • 图注:中国量子卫星“墨子号”

数十年来,整个概念一直困扰着人们,因为它打破了宇宙中最基本的定律之一。两个粒子之间的信息传递不能比光速快,但是确实如此。

这些缠结的粒子也不限于成对;2014年的一项研究人为地纠缠了大约500,000个粒子,这表明当测量或更改任何单个成分时,粒子云“群脑”即刻起反应。

让我们更进一步,从宏观上讲一下“大爆炸”,这实际上是整个宇宙从单个粒子爆炸并开始扩展的那一刻(此后一直没有停止!)。根据我们刚刚了解到的纠缠粒子的奇怪性质,可能会有纠缠粒子散布在整个宇宙中。每个粒子都可能与另一个粒子或一大群粒子纠缠在一起!

可能有数十亿个粒子通过量子纠缠而固有地联系在一起,这意味着我们在地球上激发的一些微不足道的自旋位移可能在月球背面或星系的另一端产生亚原子的结果!

苦脑病

科学家不喜欢无法解决的悖论,因此爱因斯坦和他的朋友回应量子纠缠说,量子理论是“不完整的”,缺少了一些固有的概念或材料。随后的“漏洞”由薛定鳄、爱因斯坦和其他理论物理学家提出,试图解释量子纠缠的奇怪事实,好像他们根本不承认自己不知道答案。这些漏洞在过去六十年中得到了最大程度的证明,但仍然存在“遥远的诡异行动”。

到目前为止,我们还没有完全了解量子纠缠,也没有完全了解量子世界的隐秘奥秘,而是拥有可能的应用,例如量子计算和纠缠粒子的统一互联网(这两种都可以改变我们所知道的世界)。

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