再谈量子纠缠 11

本系列文章预计会有30个章节，这套文献将系统的讲述物理学本身，今天是第三季第12篇

量子纠缠告诉我们“波函数”有超越空间的感知能力，就像你左鞋和右鞋之间的关系，无论两者距离有多远，一只鞋出现变化，另外一只相继会迅速相应变化，今天我们再谈谈量子纠缠。

01 什么是量子

在开篇之前，我们先统一一个定义，而这个定义是我们一直没有谈到的一个关键问题，即——到底什么是量子？

有人说：“量子不就是电子、光子这类很小的粒子吗？”这句话不全对：量子不是什么“粒子”，但量子的确和“很小”有关。

我们之前谈过，物质由分子、原子组成，原子又由质子、中子、电子等粒子组成。如果更深入下去，现代粒子物理标准模型将所有的粒子归纳为几十种不可再分的基本粒子，其中包括光子、电子、介子等等，也包括构成质子和中子的各种夸克，但是，其中可没有哪个粒子叫“量子”。

确实，基本粒子中没有“量子”，但基本粒子遵从的物理规律却和量子密切相关。

一般地说，量子不是实物，而只是一种理论，或者说一种概念。我们一般不将“量子”看作粒子，而将其作为对量子力学、量子理论、量子态、量子现象等等概念的一种泛称。

那么它的定义是怎么来的？

这就又回到了我们01节（量子是如何被发现的？），当时普朗克为了证明他的公式（现在称之为普朗克辐射定律，为了解决黑体辐射问题），他当时做的其中一个假设。

即，则要求辐射是以不连续的，一份一份的，现在称为“量子”的形式进行。再加上爱因斯坦的光量子假说，就真正形成了”量子“假说的概念。

回到量子是什么的问题。实际上，量子（quantum）一词来源于拉丁语，原意是不可分割，指的是物理量的不连续性，即表征微观粒子运动状态的物理量只能采取某些分离的数值，叫作被“量子”化。

在经典物理学中，物理量变化的最小值没有限制，它们可以任意连续地变化，理论上似乎要多小就能有多小，而对于实际目的而言，变化值小到一定程度就没有影响了。

我们可以用日常生活中的例子来解释量子化。下图左图的斜坡和右图的楼梯可分别代表连续的高度变化和“量子化”的高度变化。

以一级楼梯的长度为单位，斜坡上的高度可以表示为如3.89这样的数字，而楼梯只能一级一级地上升，高度被“量子化”了，只能是整数。

02 究竟什么是量子纠缠

总体来说，量子纠缠指的是两个粒子之间超越时空的顺时协调。

玻尔解释是两个粒子不管距离多远，它们都是一个整体，只能用同一个波函数描写。你的测量是在跟这个整体打交道，所以不算超距作用。

但是这番解释听起来很像是诡辩的话术：难道作为整体的两个粒子就不是一南一北的两个粒子了吗？所以薛定谔略带嘲讽地说，那两个粒子是“纠缠”在了一起。

后世的人们就把这个鬼魅般的相互作用叫做“量子纠缠”。

那么是什么导致人类发现了这个现象呢？

答案当然是我们上一节所谈到的”托马斯杨双缝干涉实验“。

量子力学认为，一个电子必须同时通过两个缝，自己跟自己发生干涉，才能在屏幕上产生干涉条纹。这意味着在你测量之前，电子的位置是个“叠加态”：没被观测的电子根本就没有明确的“位置”，是你后来非要观测它的位置，给它观测出来一个位置。

同样地，电子原本*没有*自旋，是你非得沿着某一个方向测量，才给电子测量出来了一个这个方向上的自旋。

测量的结果则是完全不确定的。为什么这个电子落在了屏幕上的这个地方而不是别的地方？为什么这次的自旋是向上的？

没有原因。两个铀原子摆在你面前，5 分钟后其中一个衰变了，另一个没有衰变，这是为啥呢？

量子力学认为其中没有任何原因，这是一个纯粹的随机事件。

但是经典世界观的支持者可不这么想。爱因斯坦会告诉你，两个原子之所以一个衰变了一个没衰变，是因为它们身上存在某种不一样的地方，是你所不知道的。

电子的自旋也好，电子古怪的干涉行为也好，背后都有一些更细微的、隐藏的因素在起作用。

就好像天气预报说“明天下雨的概率是30%”，这并不是说下不下雨是完全随机的，而只不过是因为我们的信息搜集和技术手段不够全面：如果你像上帝一样是全知全能的，你了解所有的相关因素，你完全可以准确预测明天是否下雨。

03 EPR 佯谬

1935年，爱因斯坦和玻尔最后一次论战中提出的那个“EPR佯谬”。物理学家万维钢是怎么比喻的，我们把两个原本在一起、相互关联的两个电子，分开，一个往南走，一个往北走。它们一开始的总角动量是 0。

当它们的距离已经很远的时候，你测量一下南边这个电子的自旋，得到了自旋向下的结果。那么根据角动量守恒，北边电子自旋一定是向上的。

量子力学的解释是南边的电子本来没有自旋，是你测量这个动作，随机地，给它带来了向上的自旋，于是北边电子瞬间获得了确定向下的自旋。

爱因斯坦认为这不可能。两个电子相隔这么远，怎么能这边变了那边马上就变呢？一个东西怎么能一瞬间就影响到千里之外 —— 甚至无穷远之外的另一个东西呢？这不是“鬼魅般的超距作用”吗？

1964 年，物理学家约翰·贝尔（John Stewart Bell）在休假中写了一篇论文，提出了验证EPR佯谬的方法，贝尔证明了量子力学中存在“鬼魅般的超距作用”。也就是说，量子纠缠是真的！

我们下一节再谈。

声明：部分内容来自《万维钢精英日课》

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