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文科生也能理解量子理论,但是细思极恐!(三)

上一篇文章讲到,在微观的量子世界,粒子都以人们无法理解的“波粒二象性”的状态存在。我们现实中能“看到”或者说能“感知到”的事物,无论是一桌一椅,还是山川大河,都是实实在在存在的,但是在微观的量子世界,所有事物都是以概率波的形态存在着,也就是说,他们只有在你观察或者信息必然要泄露的前提下,才会显示出一种确定的状态,否则,它们都是“飘忽不定”的叠加态。

这里在强调一遍:叠加态!这是量子力学最大的奥秘,也是理解量子力学的关键。那只薛定谔猫,它不是死的也不是活的、也不是半死不活的,它是一种现实中不存在的状态:又死又活的!

如果你无法理解,那么就参考太极图,太极图阴阳两鱼可以在一个事物内同时存在,它又是阴的又是阳的,又是有又是无,又是0又是1,虽然说完全无法想像,推翻了我们的既有世界观,但是必须承认这就是量子世界粒子的基本形态!


   理解了这个,再来探讨量子世界的问题,才能真正深入下去。

 

这种新的观点一开始被玻尔提出来之后,得到了爱因斯坦的强烈批评,爱因斯坦认为:现实就是现实!它是必然存在的,我们可以同时获悉任何事物包括一个粒子的所有物理量,如果我们无法准确获悉这些所有物理量,它也是确定存在的,不确定性是我们的观测手段还没达到或者不完善导致,并不能因此就得出粒子的“叠加态”这样一种违反常理的理论。

爱因斯坦举了个违背现实规律的例子:一对量子纠缠的粒子,我们把它们分开放在无限远的位置,如果按照玻尔的理论,在观测其中一个粒子的状态的同时,另外一个粒子也会同时显示出相关的状态,这种超距作用不受时空和因果规律限制,因此不可能存在。

 

这么说不好理解,我们做个脑力操,拿现实中的例子来假设:比如一对手套,我们把它们分别装在盒子里一个放在北极,一个放在南极。根据爱因斯坦的理论,我们虽然不知道哪只手套放在哪,但是我们不用打开盒子看也肯定知道:其中一只是左手,另一只是右手,这是在两只手套分开的时候就已经决定的。当你打开盒子确定其中一只是左手之后,另一只必然是右手,这就是我们现实世界的规律,无甚稀奇,也不容改变!更不是鬼魅的超距作用。


但是玻尔不这么认为,他认为两只手套都是“叠加态”,在没有打开盒子看到手套之前,手套既是左手又是右手,无法确定真实状态。当我们做打开其中一个盒子这个动作的时候,这只手套的叠加态才被坍塌,成为一种固定状态。那么,这就导致一种巫术般的“超距”作用出现在我们的宇宙:另外一只手套在你打开盒子的瞬间也会坍塌掉“叠加态”,而确定为某种固定状态


两个科学巨匠的观点在当时只能以“思想实验”的手段来展开争论,现实中无法验证谁对谁错。更甚一步,即便是因为对一只手套的观测影响到了另外一只手套的状态,那么也有可能是存在我们未知的一种“影响”起到了作用,并不能以此证明玻尔的“叠加态”就是正确的。

我们都知道,任何作用都需要通过力来实现,而力是通过场传播的,包括引力场在内的任何场的传播速度都无法超过光速,这是爱因斯坦的狭义相对论告诉我们的。

如果两个系统之间存在我们没有发现的“作用场”,那不是依然无法证明玻尔理论的正确?这就是所谓的“隐变量理论”!

综上所述,如果我们把所有已知的和未知的作用因素都考虑进去的话,两个独立的系统之间的关联性,就有一个最大的固定数值存在,如果爱因斯坦的观点是对的,那么任何观测结果都不可能大于这个数值,这就是著名的“贝尔不等式”!


但是,如果爱因斯坦的观点是错误的,那么这个观测结果就有可能大于这个数值,也就是说,宇宙中会存在一种“超光速的鬼魅作用”!这就是非定域实在性。

 

毕竟纠缠态的量子制备起来都是科技含量很高的事,它们存在的时间也往往只有千分之一秒不到,而且纠缠态也不稳定,有的只是稍微有点纠缠,有的却强力纠缠,因此别说观察他们了,我们能造出来一两个纠缠态粒子都需要一个高科技实验室,所以如何验证贝尔不等式就成了科学界的桂冠。

随着科技的发展和激光的发明,直到八十年代,才让这个“思想实验”终于有了被实验验证的可能。

著名的阿斯派克特实验闪亮登场,他利用钙原子被激发的电子单次跃迁一次释放两个光子的原理,制备出稳定的纠缠态光子,设计了完美的实验过程。


经过多次改良,把两颗纠缠态光子隔离到在以光速都无法传递信息的前提下,再进行实验,得到的实验结果避免了任何“隐变量”的干扰,因此这个结果得到科学界的认可。

最终,很遗憾的推翻了贝尔不等式,也就是说,确实存在一种“超距鬼魅作用”影响到了两个纠缠态量子的状态,玻尔的量子理论是完备的!爱因斯坦是错的。

 

这样解释依旧很难理解,很多读者到这就卡住了,到底这个实验得到了什么结果?又违背了什么最大数值?我们还是用大众都能看懂的最简单的语言来描述一下,把刚才的手套继续请回来做“脑力操”:

这次我们不是一副手套,我们用N副手套,假设是一万双吧,而且各不相同,全都分开一只一只装在单独的盒子里,这样我们在北极就得到了一万只不知道是左手还是右手的手套,同样南极也有一万只不知道是左手还是右手的手套。不过可以肯定的是,北极的一万双手套,每一只在南极都有对应的右手手套。


我们在大脑里制备好了“量子纠缠态”,下面就开始“思想实验”:

分别身处南极和北极的两位同学开始一一打开盒子,如果按照爱因斯坦的理论,那么北极和南极的同学,无论打开盒子的姿势多么撩人,也都无法影响到对方打开盒子的结果,也就是说,同学打开盒子得到左手还是右手的概率是独立事件,而且最终会是11

但是事实上的结果却令人惊讶:只要南极同学的盒子打开之后得到的结果是左手多,那么北极的同学打开盒子后,得到的结果也是左手多,这就不得不说存在一种“巫术”作用了。

科学家每次重复这个实验,无论设计的多精密,排除的干扰多细致,都有一个5-30倍的方差跟贝尔不等式相矛盾。(喜欢这个话题的可以百度或者参阅相关文献。)


 发展到今天,实验更加精密,花样也层出不穷,结果也更令人信服:量子理论确实是正确的。


下面的图二是史砚华等人的实验设计及结果图。在他们的实验中,狭缝形状不是一个鬼影,而是四个字母“UMBC”(图二右上角),这是马里兰大学的英文缩写。图二右下角的实验结果显示,那些经过了狭缝的光子的孪生兄弟们,在实验室的另一端遥相呼应,幽灵般地呈现出了与狭缝形状一致的图像:UMBC。


 

现在我们讲到的,就是理论物理界的最前沿了,读者如果能完全理解的话,那么绝对有做理论物理学家的潜质!

当然,既然是科学前沿,争议肯定比较大,就连贝尔不等式的完备性都存在争议,用这个来验证量子论的完备性就更值得推敲了。

另外,即便是有一种超光速的逻辑关系存在,在本维度我们也无法突破超光速的限制,这就像“茅山道士”那个故事,茅山有神仙可以穿墙过壁;可以七十二变、御风飞行,但是你去学了这个法术之后,来到现实想用来穿墙破壁到银行盗窃,法术就会突然失灵了。


量子纠缠也是这个境遇,如何把微观世界的规律突破用在宏观世界,我想其中肯定存在一道很难逾越的高墙,真有了翻越那一天,我们才敢说自己领先了,现在骄傲还为时尚早。

 

这里东升时评(微信号:dssp99)更倾向于爱因斯坦的理论,但是要稍加修正:宇宙中应该存在一种“超光速的隐变量”,才导致的实验结果跟逻辑基础相矛盾。也就是说,可以扩大一下定域实在性的范围,这样在逻辑上就可以跟量子理论自洽了。

 

我们这次发射的量子通讯卫星,其中一个科研项目就是验证这个结论,科学的探索是无止境的,希望在不断的追求当中,能找到本宇宙最正确的答案。


欲知全球后事如何,且听东升下回分解!

 

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