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深度科普:量子纠缠的本质到底是什么?为什么会发生纠缠?

宇宙怪谈 · 昨天 18:09
从科学的角度来看,量子纠缠指的是当几个粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质,无法单独描述单个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,这种现象就被称为量子纠缠 。
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在量子纠缠的奇妙状态下,这些粒子仿佛形成了一个紧密相连的整体,它们的命运被紧紧地交织在一起,彼此之间的关联超越了我们对常规物理世界的认知。这种特殊的关联性使得对其中一个粒子的任何操作或测量,都会瞬间影响到其他与之纠缠的粒子,无论它们在空间上相隔多么遥远 。
为了更直观地理解量子纠缠,我们可以想象一个具体的例子。
假设有一个零自旋的粒子,它发生衰变后,产生了两个以相反方向移动分离的粒子。这两个新产生的粒子就处于一种纠缠态。当我们沿着某特定方向,对其中一个粒子测量自旋时,如果得到的结果为上旋,那么另外一个粒子的自旋必定为下旋;反之,若得到的结果为下旋,则另一个粒子的自旋必定为上旋 。
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更令人惊奇的是,即使这两个粒子相隔甚远,例如一个粒子在地球上,另一个粒子在遥远的宇宙深处,当对地球上的粒子进行测量时,处于宇宙深处的另一个粒子似乎能够瞬间 “感知” 到这个测量动作,并立即相应地改变自己的状态,就好像它们之间存在着一种无形的、超越时空的通信渠道,能够实现瞬间的信息传递 。
这种超越距离和空间限制的神秘关联,使得量子纠缠成为了量子力学中最令人着迷和困惑的现象之一,也引发了科学家们对其背后物理机制的深入研究和探讨。
要深入理解量子纠缠,首先需要明确量子的概念。
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量子并非是某种具体的特定粒子,而是一个物理概念,是对具有量子现象的微观粒子的统称 。普朗克常数在其中扮演着关键角色,那些普朗克常数能发挥明显作用的现象被称为量子现象 。普朗克常数是一个物理常数,用以描述量子大小,其数值约为 6.626×10⁻³⁴焦耳秒,常用符号 h 表示。
在微观世界中,许多物理量不再像宏观世界那样连续变化,而是呈现出量子化的特征,即存在最小的、不可分割的基本单位,这个最小单位就被称为量子 。例如,能量的发射和吸收不是连续的,而是一份一份地进行,每一份能量就是一个能量子,其大小等于 hν(ν 为辐射电磁波的频率)。
微观粒子具有波粒二象性,这是量子世界的一个独特属性,与我们在宏观世界的经验截然不同。微观粒子既表现出粒子的特性,又具有波的性质,它们既是物质又是波,但本质上更倾向于波,其粒子性更多地表现为一种 “波包” 或者 “能量包” 的形式 。
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以电子为例,在一些实验中,电子会表现出像粒子一样的行为,例如在光电效应中,电子可以像一个个离散的粒子一样被激发出来;然而在另一些实验,如电子双缝干涉实验中 ,电子又展现出波的特性,会产生干涉条纹,就像光波通过双缝时一样。这种波粒二象性表明,微观粒子不能简单地用我们传统认知中的粒子或者波的概念来完全描述,它们具有一种更为复杂和奇妙的本质属性。
在量子力学中,全同粒子是一个重要概念。
全同粒子是指内禀属性(如质量、电荷、自旋等)完全相同的粒子,例如所有的电子就是全同粒子,所有的中子、质子也分别属于各自的全同粒子类别 。这些全同粒子具有一个非常独特的特性 —— 叠加态原理。
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根据叠加态原理,微观粒子的状态不能像宏观物体那样被看作是一个确定的质点,而是要用波函数来描述 。两个全同粒子的波函数是可以叠加的,就如同声波、水波的叠加一样 。当两个全同粒子形成叠加态时,我们无法区分它们究竟是哪一个粒子,它们的状态已经融合为一个整体,无法单独描述单个粒子的状态 。而量子纠缠,本质上就是形成叠加态的两个全同粒子所表现出的一种状态 。
这种状态下,两个粒子之间存在着一种超越常规理解的紧密关联,它们的命运仿佛被紧紧捆绑在一起,无论空间距离有多远,对其中一个粒子的操作都会瞬间影响到另一个粒子,这便是量子纠缠现象背后的核心本质所在。
量子纠缠的发生,与量子自身独特的特性密切相关,其中波粒二象性和叠加态原理在这一过程中发挥着关键作用 。
由于微观粒子具有波粒二象性,它们的行为不能简单地用经典的粒子或波的概念来解释。粒子的状态由波函数来描述,而波函数具有可叠加的性质 。当两个全同粒子相互作用并形成叠加态时,它们的波函数会相互交织、融合,形成一个统一的、不可分割的整体波函数 。
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这意味着这两个粒子不再是独立的个体,它们的命运紧密相连,无论在空间上相隔多远,都能保持着一种超越常规理解的相互关联 。在这种纠缠态下,对其中一个粒子进行测量,使其波函数发生坍缩,确定其处于某一特定状态,那么另一个粒子的波函数也会瞬间相应地坍缩,使其处于与之关联的状态 。这种瞬间的相互影响,仿佛两个粒子之间存在着一种无形的、超越时空的纽带,使得它们能够跨越遥远的距离,实现状态的同步变化 。
目前,科学界对于量子纠缠的成因提出了多种理论解释,然而这些解释都还存在一定的争议和局限性,尚未有一种理论能够完全被科学界所接受 。
其中一种解释认为,纠缠态的两个或多个粒子实际上共享一个波函数,它们拥有完全相同的波形 。这就使得粒子之间可以瞬间 “感应” 对方的改变而随之改变,并且有部分观点认为这种同步感应的现象是超光速实现的 。根据不确定性原则,粒子可能出现在任何位置,因此它们之间的信息传递被认为是不需要时间的 。
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然而,这种超光速的信息传递观点与爱因斯坦的相对论中光速是宇宙中最快速度的理论产生了冲突,引发了广泛的争议 。如果信息真的能够超光速传递,那么就可能导致因果律的冲突,出现一些违背常识的现象 ,比如时间旅行中的因果悖论等,这使得许多科学家对这种解释持谨慎态度 。
还有一种较为大胆的解释是,纠缠态的粒子实际上是在多宇宙的镜像投影,即一个粒子是另一个粒子从高维度向低维度的投影 。
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每个宇宙都拥有不同的参考系,我们必须从多宇宙同时观察才能知道粒子状态的同步改变 。这个理论虽然具有一定的创新性和想象力,但由于涉及到多宇宙的概念,目前还难以通过实验进行有效的验证 。多宇宙理论本身就存在诸多争议,对于如何定义和探测不同的宇宙,以及粒子如何在不同宇宙之间形成投影和相互关联,都缺乏明确的实验证据和理论基础 。
此外,还有一种 “跷跷板” 效应解释,认为纠缠粒子之间的关系就像两个人一起玩跷跷板 。当甲乙两人坐在跷跷板上时,就有了 “纠缠” 的关联状态,甲向下,乙就会向上,反之亦然 。
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根据该理论,纠缠中的粒子自然就会一直呈现出对称状态 。然而,这种类比虽然形象地描述了纠缠粒子之间的对称关系,但并不能深入解释量子纠缠背后复杂的物理机制 。它只是一种简单的比喻,无法涵盖量子纠缠现象中涉及的波粒二象性、叠加态、非局域性等诸多量子特性 。
尽管这些理论解释都存在争议,但它们都为我们理解量子纠缠提供了不同的思考方向和研究角度 。科学家们通过不断地研究和探索,试图找到一种更加完善、统一的理论来解释量子纠缠这一神秘现象 。随着科学技术的不断进步和实验手段的日益完善,未来或许能够在这一领域取得新的突破,为我们揭示量子纠缠背后更深层次的奥秘 。

内容来源于联合早报网首页官网,网友投稿

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