科普 量子纠缠
第一篇:科普量子纠缠科普量子纠缠
量子论被公认为是科学史上最成功的、被实验结果符合最好的理论,但另一方面,它却和人类日常生活的经验如此格格不入。
如今,很多实验物理学家还在验证这一理论在80年前所做的基本假设。物理学家们依然还在为这个理论头疼不已。著名物理学家费曼就曾说:“我敢肯定,现在没有一个人能够懂得量子力学。”尽管已经走过百年历史,它还有无数的谜尚待解开。
微观与宏观,水火不兼容
物理学家常常会说“传统物理学认为如何如何,量子物理学则认为如何如何”或者“客观现实中如何如何,但量子世界里却如何如何”这样的“鬼话”。量子物理学家告诉我们,物质在被测量之前是不确定的。“不确定性”是量子世界的基本法则。“观测”是在不确定的量子世界和确定的现实之间转化的关键。那么,神秘的量子世界和日常的现实世界到底能否兼容呢。在经典极限情况下,通过合理的近似,量子理论可以自动过渡到经典世界的物理理论。但如何描述这两个世界的交界面,成了量子论过不去的一个坎。直到现在,理论物理学家仍然未能将两者恰当地联系起来。
“哥本哈根学派”认为,物质在被观测之前,是处于一种不确定的叠加态的。为了反驳这种观点,证实量子力学在宏观层面是不完整的,德国物理学家薛定谔设计出物理学史上最著名的动物:薛定谔的猫。
这是一个思想实验。不透明的箱子里装着一只猫,箱子中另外还有一个原子衰变装置,原子会随机发生衰变,一旦衰变发生,就会激发一系列连锁反应,最终打破箱子里的毒气罐而毒死猫,反之猫则活。在打开箱子观测那一瞬间之前,原子的衰变和猫的死活都处于一种叠加态,只有当打开箱子的一刹那,猫的死活才确定下来。所以,在打开箱子之前,猫既是死的,又是活的。问题是,现实中的猫怎么可能是“既死又活”的呢。我们的常识中,猫要么是死的,要么是活的。量子论无法解释现实世界,这成了量子论无数个困惑之谜中最神秘的一点。
“薛定谔的猫”出现之后,物理和哲学界就客观世界和人的意识的决定因素产生了一场大讨论:如果人的观测能决定猫的生死,那是否人的意识也会决定客观世界的走向呢。2
同一个世界,很多个宇宙。
“虽然我支持在无数个宇宙中存在着无数个sheldon的‘平行宇宙理论’,我还是像你保证,没有任何一个宇宙中的我会和你跳舞。”《生活大爆炸》中,“宅男”sheldon这么回复美女penny的邀舞请求。
为了解决与现实世界兼容的问题,无数物理学家尝试了各种理论,最著名的恐怕就是上世纪50年代兴起的“平行宇宙”(多世界理论)。
支持这个理论的科学家认为,“薛定谔的猫”实验中,箱子在被打开观测之前,与其说猫处于一种既死又活的状态,不如说这只猫同时处于不同的“宇宙”中。有的“宇宙”中猫是活的,有的“宇宙”中猫是死的。听起来是不是很奇怪。但这个理论的确成功避开了很多问题,将微观和宏观世界联系在了一起。
然而,即使到现在,这个理论依然如此前卫,令人无法理解。最近20年间,它才开始受到人们的关注,并成为量子力学的热门理论。霍金甚至将这一理论用到解释时空旅行中:因为平行宇宙的存在,时间线产生了分叉,出现了多重“历史”,人们因此可能可以进行时空旅行。这一解释也解决了此前人们在时空旅行中关于“杀死过去的我”的悖论。
现在,“多世界理论”演化出的“时空穿梭”已经成为很多科幻作品中的主题。但这个理论完全是严格遵循数学方程演化得来的结果,其前提认为所有“宇宙”都包容在同一个“时空”中,而这个“时空”是多维度的,霍金所提出的进行“时空旅行”的“虫洞”目前只存在于理论层面,还没有任何物理证据证明其真实存在。
量子纠缠,挑战光速
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