量子卫星上天背后的秘密:量子纠缠的那点儿事

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    张慧敏

90年,山西大学物理系理论物理 硕士

2000年,日本富山大学工学博士

2000~2011美国圣路易斯华盛顿大学物理系研究科学家,做广义相对论方面的数值摸拟,包括黑洞,中子星碰撞过程及由此辐射引力波等方面的研究。185782441

这不,随着我国打了一颗叫“墨子”的卫星,人们忽然开始纠缠起量子来了,知道我当年走过一段歧途,就有人些人就跟我打听嘛叫量子纠缠啊?量子力学是咋回事儿?介个墨子靠谱不? 架不住他们这么三问两问,就勾起俺一段尘封de记忆,玩着玩着手机俺就忍不住开始写这个来,只是也不知道能写到哪儿。
 “量子”这个词就这么出来的  量子纠缠嘛,自然是和量子有关系了,屈指一算,这套东西也有百十年历史了。 从上古到百年前人们整出来量子这个概念之前,是没有量子这个概念的(这句瞅着象废话,是不?),人们认为世上万物,都是连续的, 所以古人就云:一根棒槌,一天剁一半,万世剁不完。就是说物质能量等等都是连续的。

但这事到了1900年就变了,德国人普朗克研究黑体辐射时发现,他弄出来的方程怎么都跟实验对不上号,但是如果他假设辐射出的能量是不连续的,那么他的方程立马和实验符合的挺好。可能量是不连续的,这种观点在当时是大逆不道,简直是匪夷所思。作为一个体面的神士,普朗克实在是不愿说这么不文雅话啊。可另一方面,弄出来的方程又那么给力,老绅士踌躇良久,终于还是忍不住暴出了一个谁也没听过的粗口,“量子”。

马克斯·普朗克

马克斯·普朗克(Max Planck,1858年4月23日-1947年10月4日),出生于德国荷尔施泰因,是德国著名的物理学家和量子力学的重要创始人。

且和爱因斯坦并称为二十世纪最重要的两大物理学家。他因发现能量量子化而对物理学的又一次飞跃做出了重要贡献,并在1918年荣获诺贝尔物理学奖 。

喊完这噪子,老绅士痛快轻爽了几天,就可始后悔了,不该说这么难听的字眼啊,那感觉就象清修了一辈的老居士,老了老了,一不小心吃了颗大蒜…… 就这样,“量子”这个词儿就这么给弄出来了。 过了几年,年轻气盛的屌丝,爱因斯坦,可不bird“量子”这词儿文不文雅,他琢磨,既然辐射可以是量子的,吸收也应该是量子的,这个想法的直接推论就是所谓的“光电效应”,这一年是1905年。

这个光电效应的理论后来给爱因斯坦换回来个热被窝奖,不过那个奖发的晚了点,屌丝还是又过了几贫寒的日子。 又过了一些年,丹麦人玻尔充分发挥“量子”这个概念的威力,轻松搞定了原子核外电子轨道的能级和稳定问题。 基本上就是早期的量子论,主要就是“量子”概念,从提出到接受到应用的故事,至此,普朗克死了心,停止了收回量子这个词儿的努力。

  量子力学阶段

等第一次世界大战热热闹闹的开始,凄凄惨惨的打完,又修养生息了些日子,便进入了廿世纪二十年代,量子物理又热闹了起来,开始了“量子力学”的阶段。 玻尔也不知从哪忽悠到了一大笔科研经费,吸引到了一批天才少年,成立了个后人称之为“量子力学的哥本哈根学派”的松散研究Club。

  八卦泡利

玻尔这回牛大了,鸟枪换炮啊,也用不着去足球俱乐部去守门了。俗话说自古英雄出少年,这帮二十啷当岁的年轻人可都是绝顶聪明的人啊。 人要聪明了难免就会狂,这帮人里最狂的大概要数奥地利人泡利,就是搞出泡利不相容原理的泡利,这哥们儿时不时取笑他的老板玻尔,说玻尔大概都不一定会微积分。185782443
咱再回头聊量子力学。前面白话的早期量子论的主要成果是确认了物理世界到了微观是不连续的这个观念,确立了“量子”这个概念,除了普朗克那些年对自己提出的这个概念年有些个追悔莫及之外,后来的人还是很乐意很自然的接受了“量子”这个概念,并且在原子物理等领域玩的风生水起,不亦乐呼。  泡利还说,如果你不懂一门学问,但又想掌握它,最好的办法是去写一本这方面的书,听听,这是什么疯话? 你都不懂还写什么书? 跟俺从小到大老师教的都不一样嘛,俺老师教俺的都是好好完成作业。 不过泡利真写了一套书,中译本叫“泡利物理学讲义。”

到了量子力学阶段,早几年主要是数学形式的发展,薛定谔搞出了波函数表述,海森堡和玻恩搞出了矩阵力学,两家吵闹了一阵子后,英国大牛狄拉克来拉架了,说,诸位,稍安勿燥,听我说,其实你们两派的两种理论数学上是完全等效的,看,如此这般,这不就证明了么?

于是两派转怒为喜,握手言和。

  狄拉克这个人

这个狄拉克可是了不得的人物啊,他后来搞出了量子电动力学,就是说,不仅原子,电子这些东西是量子的,传递粒子间相互作用的场也是量子的,这就是所谓的量子场论,也叫二次量子化,这个量子场论后来一发不可收拾,发展出了规范场论,直至标准模型,等等,等等。

这些东西比较高级,要忽悠量子纠缠这点儿事,用不着白话二次量子代以后的理论发展,1940年以前的东西就够了,这里顺便交待一下。 在发展量子力学数学形式的同时,人们也在努力把数学形式和实验观察联系起来,就是寻找量子力学数学理论的诠解,从玻恩最早开始念叼“概率”,“概率”,哥本哈根学派建立了一套完整的解释。

咱前面说过,虽然早期量子论的“量子”概念,对老辈儿的物理学家来说,理解起来有点心理障碍,但对新一代物理研究者,完全不是问题,对咱普通老百姓也完全不是问题,不就那根棒槌么? 剁啊,砍啊,你们说砍到最后,剩下一个原子,就剁不开了,剁不开就剁不开吧,有什么大不了的? 俺正好歇会儿……

但这个量子力学阶段,由玻尔领头儿的哥本哈根学派搞出来的这套解释,说实话,实在是拧巴,不仅对爱因斯坦为首的在野党来说难以接受,甚至对创立量子力学波函数表述的薛定愕来说也很不爽,屡屡表示质疑,所以当时世人笑曰,薛定谔不懂薛定谔方程。

甚至到了百年后的今天,试图理解量子力学也一定让咱普通老百姓脑神经打结。 俺,作为一个非著名的物理学渣,今天得空,就试着把这些拧巴的量子力学概念掰斥掰斥,看看能不能让大家早点忘掉这点儿事,该干么干么去。

量子论的第二阶段,就是量子力学阶段(大约是1920到1936吧),这阶段发展出了一些难以理解,与以往常识相悖的概念,解释。虽然这些概念等东西都是纠缠在一起的,但是跟据时间顺序和理解难易程度,还是可以大概分开来白话的。比较简单的一个是所谓波粒二象性,就是电子啦,光子啦等这些东西有时候象波,有时候象粒子,这个有点别扭,但还是可以接受,多摆弄几次,知道啥时候用波,啥时候用粒子就行了。

  量子力学的概率解释

下一个咱再说说所谓的量子力学的概率解释,概率这个概念本身倒是没啥,咱老百姓也能理解,也能接受,不就是说事物太复杂,咱能掌握的信息不完全,所以不能精确预测事物的发展过程么?但是大概估摸个八九不离十还是可以的。但对于量子力学来说,按照正统的哥本哈根解释,概率本质性的东西,不是因为我们掌握的信息不完全造成的。也就是说上帝就是这么玩的。

爱因斯坦等人认为物理理论应该是完备的,实在的,定域的,这些要求是当然的,天经地义的。为了证明量子力学是符合这些基本要求,他们构想出一些思想实验来攻击哥本哈根学派的正统解释。基本思路是,如果你们的量子力学的解释是正确的,依量子力学可以推出如此这般这样大逆不道的事来,这怎么可能呢? 是可忍孰不可忍? 这些思想实验里有两个比较有名,一个叫薛定谔猫,另一个就是量子纠缠。185782444
这原子的半衰期是(比如)一天,那么一天后,这原子有一半的几率发生了衰变,于是根据量子力学,这猫有一半的几率死了,一半的几率活着,换句话说,这猫是处于半死半活的叠加态,想知道猫的死活,只能打开箱子看看。薛定谔首先发难,质问哥本哈根学派,这样的理论道是完备的,能让人满意? 爱因斯坦也助攻说,难道上帝是扔钢崩儿的吗? 当过足球守门员的玻尔轻松应对,So what?我们理论在很多方面和实验符合的很好,这是我们能得到的最好的理论, 至于我们的理论预测你的猫是半死半活的,我很满意,一点也 没有感到道德方面的压力。这个薛定谔猫论呢,主要用来没击量子力学的几率解释的。本来是量子力学大功臣,提出了量子力学波函数的薛定谔,因不满几率解释,受“良心”驱使,跑到了在野的爱因斯坦的阵营,设想出了这样一个实验,借以把量子力学的微观几率解释扩大成一个宏观的详谬。 这个假想思想实验是这么安排的,一只猫关在一个黑箱子里,箱子里有一瓶毒药,通过装置联结一个放射性原子,如果原子发生衰变,会能发装置打破毒药瓶,毒死这猫咪,如果原子没有衰变,这猫就安然无恙。

既然这样大逆不道的理论玻尔都能接受,爱因斯坦他们觉得得重估玻尔的道德底线,于是他们构想出了另一个思想实验,试图用这实验证明,不仅量子力学的正统实验是大逆不道的,而且是变态的,侮辱人智商的。

这个实验的背后有,因果性,决定论,信号传播超光速,定域非定域等方面的争论,这里就不多掰斥这些了。 大约在1935年,爱因斯坦等人构想出后人称之为EPR的思想实验,然后被简化,然后薛定谔跟据这个实验的构想原理引入了量子纠缠这个词儿。这实验主要攻击点是量子力学的非定域性。

根据严格的量子力学理论,量子相关的两个粒子会处于一种纠缠的状态,用波函数的语言说就是,这两个粒子构成的系统的波函数不能写成系统成员粒子各自波函的简单张量积,而需要用系统整体的波函数来描述,这样通过这种量子关联纠缠在一起的两个(或多个)粒子,会表现出一些有悖于常识的特性。

最重要的是,量子相关的两个粒子,虽然空间上可以离开很远,但观察或挠搅其中任何一个粒子,会立刻,马上影响到另一个粒子,或者说另一个粒子立马就“知道了”这个粒子发生了状态,不管离开多远。

最近网上这个话题很热闹,随便放狗一搜,就能找到更完整的解说,总之,普通老百姓的质疑就是,这边发生的事,那边立马就知道了,这不超光速了么?怎么可能? 不明觉厉啊。这说明我们普通老百姓还是跳不出因果性的束缚,潜意识里认为搅挠这边是因,那边知道是果。 关于量子纠缠这事儿是不是真的,这么违背常理的事儿真能发生? 答案是肯定的,人都用这个开公司买股票了,你还信?

今儿个老夫聊发少年狂,想到一招可以把这个事儿整得更加烧脑, 我们说如果A光子和B光子处于量子纠缠态,那么观察A光子,B光子立马就知道了,不管多远,实际上跟据相对论同时并没有绝对意义,很容易设想到在某个相对运动的坐标系中,B点甚至在A点观察之前就知道了,如何理解?185782445
至于我们普通老百姓,我相信过一阵子大家就都忘了这个热闹了,如果你还忘不了,还想纠缠这事,你也不要试图去理解它,不要想用原来的知识说明它,你只需在你的字典里加上这个词,慢慢就习惯了。 至于墨子搞量子通信是不是靠谱,俺就不砸别人的饭碗了,这不是个理论问题,是个技术问题,人不说了么? 相当于万米高空微存钱罐里扔钢崩啊。  这个烧脑题是俺刚想出来的,你们放狗大概也搜不到。 总之,量子理论是非常有效的,精确的。玻-爱旷世大争论近百年来,实验总是站玻尔一方。实际上玻尔和爱因斯坦是很好的朋友,玻尔说:争吵只会发生在弟兄们之间,至于别人,都太远了。玻–爱大争论背后的哲学层面上的分岐是,我们能认识到客观世界的真理? 还是只能把我们观察到的东西整理的更加逻辑更加条理一些?

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