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    量子力學中的兩個關鍵問題—量子糾纏和不確定性都指的是什么?

     sdhenry 2022-10-21 發布于廣東

    若相對論是有悖于生活經驗和直覺的,那么量子力學就只有用離奇來形容了。雖然我們的世界是高度數學化、高度量子化的,但我們的肉體卻無法真切地感知到物質和光的量子本性。量子力學可以用一系列的“最”來形容,它是有史以來最成功、最精確、最經得起檢驗的理論。

    一百年來,無數人前赴后繼想要“推翻”量子力學,但都以失敗告終,難以想象,在如此漫長的時間里,它經受了多少考驗。可是它與任何實驗都不沖突,每次檢驗都更加確定了其精確性,也無需懷疑它的真實性,因為人類已經在量子力學的基礎上,建造了現代的科技大廈,沒有量子力學就不會有半導體和現代電子,也就不會有電腦、手機、相機以及相關的一切,你接觸到的幾乎所有科技產品都高度依賴于它。

    很多人認為量子力學很玄,是因為費曼說過“沒人真正理解量子力學”,正如人們無法100%搞懂愛情,也沒辦法把愛情量化,但這并不影響我們談戀愛。

    量子力學可以容納所有經典物理語言,但是反過來就不行了。當涉及到大型物體的時候,量子力學和牛頓經典力學的預言是一致的,但是一到微觀世界,經典力學就失效了,我們無法用傳統理論去描述量子作用。要描述原子內部的活動,人類的語言還遠遠不夠,所以我們不用傳統的理論模型去解釋量子現象,而是要反過來,找出其中的不同。

    理解量子力學有兩個關鍵點:量子糾纏和不確定性。

    量子糾纏

    提到量子糾纏,很多人認為荒唐可笑,在過去,即使很多支持量子力學的人也不相信量子糾纏。量子糾纏是根據量子理論方程做出的理論性推測,如果兩個粒子距離很近時就會發生糾纏,而且即使把它們分開,它們依然可以保持這種“心靈感應”,哪怕一個在地球一個在月球,或者一個在銀河系另一個根本不知道在哪里,二者之間沒有力沒有線,但不管多遠,只要你觀測到了,就會同時影響兩個粒子,我們可以從一個粒子的狀態來推測另一個粒子的狀態。

    不過愛因斯坦并不認可這種理論,這種無視距離的超距離作用讓他覺得好笑,他并非完全否認,并承認糾纏粒子存在的可能性,但是認為應該用更簡單的方式來解釋這一現象,他把糾纏粒子比作一副手套,將兩個手套分開,分別裝到兩個密封的箱子,其中一個箱子放到我們面前,另外一個箱子送到月球,只要你不打開你就不知道里面裝的是左手的還是右手的,但是一旦打開箱子,在你看到手套的一瞬間,你就同時確定了兩只手套的信息,即使月球上的箱子未曾被打開過,這樣想來量子糾纏也就不神秘了。

    關于量子糾纏,波爾和愛因斯坦給出了完全不同的解釋:波爾認為粒子不管相距多遠都可以瞬間的、無視距離的相互影響;而愛因斯坦則認為無論電子是什么狀態,在它們分開之前就已經確定好了。

    孰是孰非,這場爭論持續了很長時間,科學界也一直沒有解決的辦法,所以這個問題被歸為哲學問題,這里很容易讓人聯想到薛定諤的貓,到了1972年,這個難題被哥倫比亞大學的一個學生給攻破了,克勞澤把一個哲學問題變成了一個可以證明的實驗問題,克勞澤的機器可以測量數千對糾纏粒子,并且可以從不同角度觀察它們的旋轉,這種實驗的結果大概率不是a就是b,不是你對就是我錯,但是結果仍然讓人覺得非常震驚,實驗證明量子力學是對的,愛因斯坦錯了,幽靈般的量子糾纏竟然是真是存在的,這種糾纏是瞬間的、無視任何距離的。

    至此,人們仍然難以理解量子力學,就好比很多人問,為什么光速是30萬公里每秒,而不是四十五或五十萬每秒,為什么光速不變,這個問題就好比再問,我是誰?我在哪里?這是哲學問題,光束數值和光速不變都是結果,不是原因,這是世界的規律,我們只是發現了它。無論多簡單的問題,只要往上問三層,就能觸及人類認知以外的世界。

    既然以及證明了量子糾纏的真實存在,證明了時空就是以這種形式存在的,那么我們可不可以利用量子糾纏實現信息傳播,或者將物體直接傳送到另外一個地方,而不用去考慮光速和距離的限制,就像科幻電影里面那樣。

    在南非的金絲雀群島上,這樣的試驗已經有了進展,先制造一對糾纏的光子a和b,首先將b發射到89公里以外的島上,然后制造第三個光子c,讓它和a建立關系,通過幽靈般的超級作用,實驗室將遠方的b變成了和c一模一樣的光子,好像c瞬間穿越大海一樣,通過這種技術實驗室已經傳輸了很多粒子,這項技術可以像電影一樣將人傳遞到另外一個地方,但是人被穿過去后原來的自己不會消失,這樣就會存在兩個自己,傳送次數越多產生自己的數量也越多,你可以接受嗎?這種傳輸時間上不是加快速度,而是像閃現一樣沒有中間過程,直接出現在另外一個地方。

    除了用來瞬間傳送以外,我們還可以制造量子計算機,量子計算機的核心仍然是二進制的,010101,只不過量子計算機是量子態,可能是0也可能是1,普通計算機不管速度多快,總歸要一點一點算,但量子不同,量子可以同時完成不同的任務,比如破譯密碼,普通計算機幾百年都破譯不了的密碼,量子計算機可以瞬間完成,一旦投入使用,所有密碼都形同虛設。當然矛鋒利了自然盾也會加強,量子加密也會出現。

    量子計算機能做得遠遠不只是破解密碼,計算越復雜,變量越是多,它的越是就越明顯,比如預測氣候變化、自然災害、戰爭等群體行為,這在過去是無法想象的,過去為了簡化計算通常要摒棄許多變量,但如果用量子計算機的話,僅需一臺幾百個原子組成的迷你計算機就可以輕松解決,計算機的核心比沙子還小。目前量子計算機已經進入了應用階段,各國的量子計算機也逐步地接入云端,量子霸權的時代即將來臨。現在的量子計算機就好像幾十年前的初代處理器,如果量子計算機的發展也遵循摩爾定律的話,那計算機的能力不可限量。當人類將如此強大的算力賦予人工智能時,又會發生什么呢?大家可以想象一下。

    不確定性

    量子力學中最難理解的部分應該是不確定性。現實的生活經驗告訴我們,物質是確定的,我們要么在家里,要么在外面,我們不能又在家里又在外面,更不能這一秒在家里下一秒就出現在外面,但量子世界則充滿了不確定性,一個粒子一會出現在這里,一會又出現在那里,你把一個粒子的位置測量的越精確,它的速度就越不精確;反過來,你把速度測準的話,那么它的位置就測不準了,你永遠無法知道一個電子準確的位置,我們只能有概率來表示它出現在某一個位置的概率,但神奇的是,我們周圍所有的人和所有的物體都是由原子組成的,我們和這些物體都處在一個穩定的狀態,那么為什么一個完全不確定的微觀世界,卻組成了一個完全確定的宏觀世界呢?

    氫原子電子云

    從微觀到宏觀的過程,一定有什么被漏掉了,一股神秘的力量把這種缺失給補上了,觸及到了神的領域,眼鏡閉上后什么都不存在了。雖然在宏觀世界中,物質保持了唯一的確定性,但我們仍然可以從宏觀世界回溯到微觀世界,微觀世界中千千萬萬可能性,仍然存在于量子世界中,一點也沒有消失,事實上,每一種可能都已經發生了,只是其他的部分并沒有展現在我們的世界中,而是在平行世界。

    薛定諤的貓

    近些年,量子研究的最前沿就是多維宇宙,在各種推論當中我們的世界可能是5維、6維、11維、26維的,這種思想本身其實并不新鮮,神話故事中也有類似體系,9重天和18層地獄,但不同的是科學研究可以結出果實,而不是把未知的東西都歸為神作,按照遠古時代的標準,現代人大部分都是神,相對論和量子力學為我們打開了新世界的大門,但它們之間一直是有矛盾的,是否存在一種理論可以包容二者,量子引力論、超弦理論、M理論,科學家們在追求大一統理論的道路上已經看到了曙光,研究量子理論會改變我們對世界的看法,而且需要更多的人投入其中,現代科技的落后其中一部分就是量子技術的落后。

    微觀和宏觀世界并不存在明顯的界限,量子力學把物理中的粒子分為兩類:玻色子和費米子,這些粒子可以是基本粒子,比如電子和夸克,也可以是復合體,比如質子和原子核,不管是什么粒子,它要么是玻色子要么就是費米子。任何世界都不會比我們的現實世界更為復雜,任何可以計算的方程,都是對現實世界的簡化和分解,不管是相對論還是量子力學,它都幫助我們更好的理解我們的宇宙。

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