聊聊今年的诺贝尔物理奖——量子纠缠

题图作者：Cheva

一年一度的诺贝尔奖又揭晓了，在科学上有一种假说叫做还原论，也就是说世界上的各种科学理论，不断的向上追溯，最后都会。归于一个统一的基础理论，如果这个假说是对的话，那这个基础理论很有可能就是数学，但不知为什么诺贝尔先生设立诺贝尔奖的时候。几乎覆盖了所有的主要科学门类，甚至还给屁事不干，只会捣乱的政治人物，设立了一个诺贝尔和平奖。但偏偏没有给所有科学的基础数学设立一个诺贝尔数学奖。那除去数学在科学中最具基础意义的学科就是物理学了，比如说我们研究生命的现象。归根到底就是细胞，而细胞的活动实际上就是各种蛋白质大分子的运动规律，也就是分子生物学，这就涉及到了化学，而化学继续还原就是原子和原子之间的相互作用，这就进入了物理学的领域，确切的说就进入了量子力学的领域，所以说物理学是其他科学的基础。也是说得过去的。但是物理学自量子力学和相对论建立起来之后。到粒子物理的标准模型，逐渐完善，至今已经很多年。毫无进展了，这一状态也反映在诺贝尔物理学奖的颁奖上这些年来。物理学奖的获奖项目似乎不再那么令人高深莫测了，都是一些。在各种科普作品中老生常谈的。话题，比如去年的诺贝尔物理学奖，就是和黑洞有关的理论。而今年的诺贝尔奖也是这样一个项目，就是颁给了量子纠缠。

量子力学其实被人们神化的太多了，以至于普通人完全不愿意也不敢去了解他的实际内容，认为量子力学就是玄学，说什么遇事不决量子力学，只要是解释不了的事情就可以用量子力学来解释。其实量子世界与构是构成我们这个现实世界的基础，如果我们总带着现实世界的经验去看待量子世界的规律，就会觉得他充满了悖论和反直觉的东西，但这事实上是搞反了，我们不应该通过类比现实世界去理解量子世界，还是应该先了解量子世界的基本逻辑，然后再思考现实世界为什么是这个样子，如何在量子世界的规律上形成我们所看见的这个现实世界。

量子力学的规律只有在微观世界才体现的非常明显，所以微观粒子我们所看到宏观物质的行动模式是非常的不同的，但是微观世界的行动模式是更基础的，宏观世界的运动规律是在量子力学基础上涌现出来的，所以要了解量子力学到底在说什么，就把我们头脑中关于宏观世界的经典力学框架统统扔掉，从头开始。现在就要我们从头开始吧。

微观粒子的量子特性，简单来说就是两个特性，一个是叠加态，另一个就是今年诺贝尔奖提到的纠缠态。所谓叠加态就与宏观物质非常的不同。以空间位置为例，这也经常拿来举例的。一个微观粒子，它在空间中的位置是不确定的，它可以同时在很多不同的地方它既在这里又在那里和牛顿力学完全不同，在牛顿力学中，如果知道一个物体的初始状态，就可以通过牛顿三大定律。计算并预言出他未来的状态，比如一个小球，现在我踢他一脚用，如果知道你用了多大力这个情况，就可以用牛顿定律来计算几秒钟以后这个球所在的位置。但在量子力学中我们是做不到的，因为粒子处于叠加态，我们并不能计算出它所在的精确位置，我们只能计算出它在各个位置出现的概率，如果人类对这个例子的行为进行观测的话，这种叠加态就会发生探索，随机出现在一个确定的地方，如果没有人观测的话，它将一直处于叠加态，要说明这个问题最好的例子就是薛定谔的猫。把薛定鄂的猫装在一个箱子里，然后箱子里放一瓶毒药，这个毒药的瓶子上有一个非常精密的量子装置。当他检测到。某个例子。的状态以后，比如说它检测到一个特定的电子自旋是向上的，它就会释放毒药，毒死那只猫，如果检测到的电子自旋是向下的就不会释放毒药，但是如果没有人打开盒子观察的话。那那个特定的电子将会是叠加态，它的自旋，是既向上又向下，那我们这只猫也。跟着变成了叠加态，变成了一只既死又活的猫。

量子世界的另一个特性就是纠缠态。其实。和叠加态有很大的关系，所谓纠缠至少得有两个人在一起，所以。纠缠态涉及的也是至少两个例子，还是以刚才确定和猫中的电子为例，如果现在有两个电子它们处于交缠态，也就是说这两个电子之间的关系是确定的，如果其中一个电子的自旋向上，那么另一个电子的自旋一定是向下的，当没有人进行观测的时候，这两个电子都处于既向上又向下的叠加态，如果这时候有人对其中的一个电子进行了观测，这个电子的叠加态就会坍缩。变成一个确定的状态，假设我们观测的这个电子坍缩成了自旋向上的状态，那么在一瞬间另一个电子的状态也会发生坍缩，无论有人观测与否。它的状态也会立即坍缩成自旋向下的状态。这就好像是这两个电子有心灵感应，当其中一个电子发生叠加态的坍缩之后，他会通过神秘的心灵感应告诉另一个和他相互纠缠的电子说，我已经坍缩了，你也赶快坍缩吧，一定要和我坍缩的方向相反哦。著名的科学家爱因斯坦对这个问题困扰了一辈子，因为这种现象有一个很大的问题，根据爱因斯坦的相对论，任何信息和相互作用的传递都不可能超过光速，而两个纠缠的微观粒子之间的心灵感应却几乎是不需要花费时间的，更不用说超光速了，也就是说如果我们把两个纠缠的电子分开，一个放在地球上，一个送到银河系的另外一边，然后再对地球上电子进行观测。在地球上的电子发生叠加态坍缩的一瞬间。远在银河系另一边的相互纠缠的电子，也会受到这种心灵感应，而不需要等待10万光年。