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愛因斯坦的“幽靈”傳送靠譜嗎?量子糾纏也解釋不了
2017-09-04 |文章來源: 中國科普博覽 郭光燦| 瀏覽次數:  |

  約100年前,阿爾伯特·愛因斯坦提出了一套飽受爭議的量子物理理論,即“幽靈般的遠距效應”(spooky action at a distance)。他認為量子糾纏理論不夠完整,有所缺失,并認為這種“幽靈遠距效應”并不存在。

   

  愛因斯坦(圖片來源于網絡) 

  如今,一名科學家希望證明愛因斯坦的理論是正確的。而他借助的工具其實與量子物理關聯不大——人類意識。這項研究可能是科學研究首次觸及意識領域,但是對于量子糾纏理論的影響尚未可知。 

  愛因斯坦提出“幽靈遠距效應”后諸多的科學實驗中,科學家們都試圖證明愛因斯坦是錯的,并試圖運用量子糾纏理論去做一些看似匪夷所思的事情,比如用愛因斯坦“幽靈”實現超光速通信或企圖用它傳送諸如人之類的實體物,這些實驗看似真的很荒謬,實際上也是不可行的,那究竟是為什么呢?

  量子糾纏理論 

  要了解量子糾纏理論用于實現實體物傳送尚不可行,我們首先必須了解一下這個理論——量子糾纏。量子糾纏是指,兩個粒子即使相隔數光年之遙,也能夠具有相互聯系的特性。

  這種“相互聯系”的特性看似詭異,一如雙胞胎所謂的“心靈感應”,那么這種“隱形”聯系是否存在呢?

  愛因斯坦認為,這說明量子糾纏理論存在漏洞,為了證明僅用量子力學描述世界的不完整性,他從量子力學原理出發,推演出一個十分荒謬的結果,這就是愛因斯坦等人1935年提出的著名的“EPR佯謬”。

   

  EPR佯謬(圖片來源于網絡) 

  “EPR”佯謬 

  設想有一個量子系統由兩個自旋為1/2的粒子構成,每個粒子的自旋要么向上(↑),要么向下(↓),但兩個粒子的總自旋為零,這意味他們總是處于自旋相反的狀態。

   

  現在將粒子A和B分別配置于相距遙遠的兩個地方,例如,A在地球上,B在月球上。按照量子力學的預言,每個粒子的自旋方向是不確定的,在任何方向上測量會有一半概率向上,一半概率向下。但如果地球上的粒子A被測量并發現其自旋向下,那么月球上的粒子B即便不測量也能確定其自旋必定向上,因為AB自旋總是相反的。

  可見,地球上A未測量時,月球上B只有一半概率向上,而地球上A一旦被測量,并發現自旋向下,那月球上的B立刻以百分之百概率處于自旋向上的狀態。月球上B的狀態似乎是瞬時被地球上A的測量所控制,這種控制行為以超光速方式發生。這就是從量子力學原理推演出來的必然結果。

  愛因斯坦由此斷定,“超光速”行為是絕對不可能發生,他稱之為“幽靈般的超距作用”。量子力學造就出這個不可能存在的“幽靈”,由此可見“量子力學是不完備的”,不足以正確地描述真實的世界,為正確地描述世界,必須從量子力學理論體系之外引進新的參數(俗稱為隱參數),來消除“量子世界的概率性”,這個“幽靈”也自然就消失掉!這就是EPR佯謬的故事。

  那么量子力學如何應對EPR佯謬?如何解釋這個神奇的幽靈呢?首先,在EPR實驗中,月球上B雖然測到自旋向上,但僅從這次測量的結果,無法推斷出它是以50%還是100%的概率獲得此結果的,換句話說,它根本不可能由此知道地球上A是否被測量這個信息,因此這里根本不存在“信息傳送”。即使“幽靈”超光速,也不違背狹義相對論“信息傳送不能超光速”的原理。

  量子隱形傳態 

  上述EPR實驗中,似乎地球上A的測量是“因”,而月球上B的后測量是其“果”,而“幽靈”擔負著這個“因果”關聯的角色。如若“幽靈”的角色真的存在,那可否利用量子來進行實體物的傳輸呢?

  “量子隱形傳態”是量子糾纏的一種奇妙應用,并被實驗所驗證。這個過程已成為量子通信等的重要物理基礎,已開辟出具有潛在應用價值的新技術。

  量子隱形傳態的英文是“Quantum Teleportation”。先說一下,“Teleportation”的含義是“遠距傳物”,通常在科幻電影或神話小說中出現,人或物在某地突然消失,瞬間在遠處重現。現實中當然無法做到,但“量子糾纏”出現后,科學家提出“量子隱形傳態”的方案,可以使量子信息或者稱量子態在某處消失,隨后在遠處重現,有點像上述神話中的“遠距傳物”。具體過程如下:

   

   

  另一點特別要強調的是,A、B、C都應當是量子客體,它們可以不屬同一類,可以分別是光子、原子、電子等,但都遵從量子力學規律。

  結論是,量子隱形傳態是量子客體之間的一種“非瞬時的”量子信息傳送的過程。

  這個結論否定了經典客體之間實現這種隱形傳送信息的可能性。經典信息的傳送必須有物理載體的攜帶才能實現,這種物理載體可以是聲波、電磁波(包括光波)、引力波等。

  因此,想要用量子進行實體物的傳輸基本上是不可能的。

  雖然量子糾纏理論并不能運用于超光速通信與實體物傳送,但是理論本身依然有很大的研究空間,如若我們開頭所說的物理學家能夠從人的思維領域證明愛因斯坦的正確性,那是否又會引領物理學的新一輪革命?讓我們拭目以待。


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