第27章:量子糾纏的超光速描述是一種幻覺(jué)

有一種哲學(xué)值得一提——任何物理上不可描述的東西都可以用哲學(xué)來(lái)描述；但是，這種復(fù)雜性可以用哲學(xué)來(lái)描述，而不能用物理學(xué)來(lái)手動(dòng)再現(xiàn)。

為什么會(huì)有這樣的尷尬？很簡(jiǎn)單，當(dāng)你試圖思考宇宙時(shí)，你并沒(méi)有把它包含在你的大腦中。就算可以，你也不知道宇宙所有的運(yùn)行機(jī)制。你不是宇宙，宇宙包含你的存在。這是不解！哥德?tīng)柕牟煌耆ɡ肀旧砭桶诉@種深刻的含義。

換句話說(shuō)——你想證明的東西，必須永遠(yuǎn)被證明在你想證明的東西之外。否則，你無(wú)法證明你所證明的是正確的，即具有現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)在回到我們的話題——量子糾纏！什么是量子糾纏？先看定義:量子糾纏是粒子在兩個(gè)或兩個(gè)以上粒子組成的系統(tǒng)中相互作用的現(xiàn)象，即使粒子在空處是分離的。糾纏是量子力學(xué)理論中最著名的預(yù)言

。它描述兩個(gè)粒子相互糾纏，即使相距很遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的行為也會(huì)影響另一個(gè)粒子的狀態(tài)。當(dāng)其中一個(gè)被操作(如量子測(cè)量)且狀態(tài)改變時(shí)，另一個(gè)也會(huì)立即改變狀態(tài)

愛(ài)因斯坦稱之為“一個(gè)幽靈般的遠(yuǎn)距離動(dòng)作”這里有必要給大家做一個(gè)回顧。當(dāng)代物理學(xué)的兩大支柱相對(duì)論和量子力學(xué)無(wú)疑經(jīng)歷了許多嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)，兩種理論的正確性有目共睹。

廣義相對(duì)論無(wú)法與量子力學(xué)和諧，即引力無(wú)法量子化，這是當(dāng)代物理學(xué)的難題。

我還是堅(jiān)持我一貫的想法，廣義相對(duì)論可以和量子力學(xué)和諧。只需要修改廣義相對(duì)論的描述。目前兩種理論的沖突是量子場(chǎng)論是基于廣義相對(duì)論的平時(shí)間空內(nèi)基本力的粒子場(chǎng)。如果要通過(guò)同一個(gè)模型來(lái)量化引力場(chǎng)，主要問(wèn)題是廣義相對(duì)論彎曲時(shí)，空架構(gòu)無(wú)法像以前一樣通過(guò)重整化的數(shù)學(xué)技巧來(lái)實(shí)現(xiàn)量化描述，無(wú)法用數(shù)學(xué)技巧得到有意義的有限值；相反，比如在量子電動(dòng)力學(xué)對(duì)光子的描述中，雖然還有一些無(wú)窮大的值，但是可以通過(guò)重整化方法消除其中的幾個(gè)，從而得到實(shí)驗(yàn)上可測(cè)且有意義的有限值。

所以我說(shuō)廣義相對(duì)論的修正方向就是這兩點(diǎn):1。重力時(shí)間空彎曲的原因是什么？廣義相對(duì)論的時(shí)間空背景是彎曲時(shí)間空，但不是引力的成因。

2.引力的起源是時(shí)間空。而在描述引力的量子化時(shí)，必須用“微分”思維來(lái)化解空彎曲的尷尬。但是重力不是時(shí)間空彎曲造成的。引力可以說(shuō)是一種時(shí)間空性質(zhì)。反過(guò)來(lái)會(huì)影響工期空。而重力的作用是以光速傳遞的。

那么關(guān)于量子糾纏引起的“超光速”的討論是否對(duì)愛(ài)因斯坦的理論提出了挑戰(zhàn)？答案是否定的！

別忘了量子力學(xué)兩大支柱的互補(bǔ)原理【波和粒子同時(shí)互斥，但在更高層次上統(tǒng)一?！亢蜏y(cè)不準(zhǔn)原理(測(cè)不準(zhǔn)原理說(shuō)明粒子的位置和動(dòng)量不能同時(shí)確定)。

因此，在量子力學(xué)中，微觀粒子并不是定義明確的，而是一種具有奇怪作用的“概率云”。這些粒子不會(huì)只存在于一個(gè)位置，也不會(huì)只從一條路線行進(jìn)到另一條路線。我們一般用波函數(shù)來(lái)描述這些粒子的行為和特性。而在兩個(gè)來(lái)源相同的微觀粒子之間，只要一個(gè)粒子發(fā)生變化，另一個(gè)就會(huì)發(fā)生變化。這種變化立即發(fā)生，稱為量子糾纏。

你有沒(méi)有注意到量子糾纏的機(jī)制是有限的？并不是說(shuō)任意兩個(gè)粒子相距n公里就能發(fā)生量子糾纏。比如地球上的一個(gè)粒子不可能和100光年外的一個(gè)粒子發(fā)生量子糾纏。

兩個(gè)或多個(gè)粒子之間的量子糾纏必須在一個(gè)系統(tǒng)中，且粒子有共同的來(lái)源。

“雙光子系統(tǒng)”，比如同一個(gè)激光產(chǎn)生的光子場(chǎng)被雙偏振分裂。因?yàn)橥粋€(gè)激光產(chǎn)生的光子系統(tǒng)屬于“相干態(tài)”，所以兩次分裂產(chǎn)生的光子系統(tǒng)屬于“相干糾纏態(tài)”

然后，當(dāng)我們測(cè)量一個(gè)光子態(tài)的一個(gè)物理參數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)另一個(gè)光子對(duì)應(yīng)的物理參數(shù)也會(huì)同時(shí)發(fā)生變化，于是我們說(shuō)“雙光子相干系統(tǒng)”對(duì)于這個(gè)物理參數(shù)來(lái)說(shuō)就是一個(gè)量子糾纏態(tài)！

量子糾纏表示兩個(gè)或多個(gè)穩(wěn)定粒子之間會(huì)有很強(qiáng)的量子關(guān)系。比如雙光子糾纏態(tài)，向左(或向右)運(yùn)動(dòng)的光子既不是左手也不是右手，既不是X偏振也不是Y偏振。其實(shí)無(wú)論是自旋還是它的投影，在測(cè)量之前都是不存在的。兩粒子態(tài)在不測(cè)時(shí)本來(lái)是不可分的。

量子糾纏的原因不難理解。其實(shí)只要我們認(rèn)為雙光子系統(tǒng)分裂前后是一個(gè)整體，量子糾纏效應(yīng)就可以很好的理解

但是真的是這樣嗎？有人會(huì)說(shuō)光子空分成兩部分，怎么可能還是一個(gè)整體？

重點(diǎn)在于量子糾纏的前提條件。雙光子系統(tǒng)是關(guān)聯(lián)態(tài)，關(guān)聯(lián)態(tài)釋放之前是一個(gè)整體！

量子力學(xué)是非定域理論，已經(jīng)被貝爾不等式預(yù)言過(guò)【任何定域隱變量理論都不能重復(fù)量子力學(xué)的所有統(tǒng)計(jì)預(yù)言?！?，因此，量子力學(xué)表現(xiàn)出許多反直觀的效應(yīng)。在量子力學(xué)中，不能表示為直積的態(tài)稱為糾纏態(tài)。

糾纏態(tài)之間的關(guān)系不能用經(jīng)典的方法來(lái)解釋。量子糾纏是指兩個(gè)或多個(gè)量子系統(tǒng)之間存在非局域和非經(jīng)典的強(qiáng)關(guān)聯(lián)。量子糾纏涉及量子力學(xué)的基本問(wèn)題，如實(shí)在性、局域性、隱變量和測(cè)量理論，在量子計(jì)算和量子通信研究中發(fā)揮著重要作用。

多系統(tǒng)最常見(jiàn)的量子態(tài)形式是糾纏態(tài)，而可以表示為直積的非糾纏態(tài)只是一種非常特殊的量子態(tài)。歷史上，糾纏態(tài)的概念最早出現(xiàn)在薛定諤1935年的論文《貓態(tài)》中。

事實(shí)上，從量子糾纏本身的系統(tǒng)中，我們可以看出它與互補(bǔ)原理和不確定性原理密切相關(guān)。測(cè)不準(zhǔn)原理體現(xiàn)了“聯(lián)系”，即位置與動(dòng)量的聯(lián)系。互補(bǔ)原則體現(xiàn)了“矛盾統(tǒng)一”二者結(jié)合的必然結(jié)果是“糾纏”，而且貝爾不等式是永久成立的，不可能像愛(ài)因斯坦的思維那樣出現(xiàn)。也就是說(shuō)，隱變量理論可以完全解釋物理系統(tǒng)所有可觀測(cè)的演化行為，避免任何不確定性或隨機(jī)性。

而且當(dāng)量子糾纏受到干擾時(shí)，量子糾纏態(tài)會(huì)立即被消除，即關(guān)聯(lián)態(tài)函數(shù)的描述現(xiàn)象終止。

這也說(shuō)明了量子糾纏的“局域性”。它不像重力那樣“廣域”。而量子力學(xué)的非局域性實(shí)際上是一種“廣域”，量子糾纏按照一定的規(guī)則存在于其中。

在一個(gè)比較通俗的例子中，可以理解為兩個(gè)或兩個(gè)以上粒子的量子糾纏態(tài)是一回事，用一個(gè)波函數(shù)來(lái)描述，與距離無(wú)關(guān)。就像兩個(gè)人在玩蹺蹺板。A和B坐在上面，就有了聯(lián)系。A往下走，B必然上來(lái)；相反，b往下走，a馬上上來(lái)。但我們不能說(shuō)這種聯(lián)系是超距離的，即A和B之間的變化是以光速進(jìn)行的。要知道這和A和B的直接距離無(wú)關(guān)，而是和他們之間的聯(lián)系有關(guān)。

也就是說(shuō)，量子糾纏信息傳輸技術(shù)也是有限的?？隙ㄊ窃谶@個(gè)“蹺蹺板”系統(tǒng)里。

只有信息可以傳遞，“超光速”才有意義。量子糾纏是一種傳輸信息的安全加密技術(shù)，與超光速無(wú)關(guān)。雖然我們知道這些粒子之間的“通訊”速度是光速的許多倍，但我們不能用這種連接來(lái)控制和傳遞如此快的信息。因此，愛(ài)因斯坦提出的規(guī)律，即任何信息傳遞的速度都不能超過(guò)光速，仍然成立。當(dāng)量子糾纏受到干擾時(shí)，量子糾纏態(tài)會(huì)立即被消除，因此無(wú)法利用這種能力遠(yuǎn)程發(fā)送信號(hào)。

你可以看看這個(gè)新聞:早在2005年，中國(guó)科技大學(xué)的潘建偉、彭承志等一批研究人員就創(chuàng)造了13 km自由空雙向量子糾纏的“分裂”和發(fā)送的世界紀(jì)錄，驗(yàn)證了在外層空與地球之間分配糾纏光子的可行性。

2007年以來(lái)，中國(guó)科技大學(xué)與清華大學(xué)聯(lián)合課題組在北京建立了16公里免費(fèi)空量子信道，并取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破。最終在2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上距離最遠(yuǎn)的量子態(tài)的隱形傳態(tài)，證實(shí)了量子態(tài)通過(guò)大氣層隱形傳態(tài)的可行性，為未來(lái)基于衛(wèi)星中繼的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的基礎(chǔ)。這一成果發(fā)表在2010年6月1日出版的英國(guó)《自然》雜志的子刊《自然光子學(xué)》上，引起了廣泛關(guān)注。

從上面的報(bào)道來(lái)看，有“可行性”幾個(gè)字，說(shuō)明這種傳輸技術(shù)的距離要求很難。必須克服量子糾纏的干擾。否則，量子糾纏態(tài)被釋放。而且不可能實(shí)現(xiàn)“控制”，因?yàn)椤翱刂啤本褪歉缮妫?/p>

量子力學(xué)是非局域理論，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論是非線性理論，是二階場(chǎng)方程。所以從宏觀到微觀，世界結(jié)構(gòu)的“統(tǒng)一”是顯而易見(jiàn)的。并不互相排斥。就像互補(bǔ)原理一樣，在更高的層面上，所有的理論都是互補(bǔ)的。但是就像我開(kāi)頭說(shuō)的，你很難證明。因?yàn)槟阋C明的東西一定要靠這個(gè)以外的東西。否則，“沒(méi)有對(duì)比，就沒(méi)有依賴”的理論就沒(méi)有實(shí)際意義。

摘自靈遁者科普書《變》第27章，獨(dú)立學(xué)者、詩(shī)人、作家、國(guó)學(xué)名師。