量子糾纏的原理是什么？為什么能超光速1萬倍？愛因斯坦無法理解

量子糾纏到底是什么？為什么能超光速至少1萬倍？這篇文章會(huì)詳細(xì)地為小朋友們講清楚其中涉及的知識(shí)點(diǎn)。

從量子理論的基礎(chǔ)現(xiàn)象，到量子糾纏的原理，再到量子糾纏的驗(yàn)證，最后再到量子糾纏的物理本質(zhì)。

文章比較長，希望你能耐心看完，這會(huì)幫助你建立起對量子糾纏的全面認(rèn)識(shí)。

要徹底搞清楚量子糾纏，還是得先從量子力學(xué)的基礎(chǔ)尋找答案。

了解過量子力學(xué)的人肯定都聽過波粒二象性和疊加態(tài)這兩個(gè)詞。

波粒二象性就是說，比原子還小的那些粒子，同時(shí)具有兩種狀態(tài)，這些粒子不僅像粒子，也像波。

粒子的波動(dòng)性和粒子性會(huì)疊加在一起，也就是疊加態(tài)。

但是疊加態(tài)不單單指的是波粒二象性，還有自旋，偏振，位置，動(dòng)量等其他物理性質(zhì)的疊加態(tài)。

總之一句話，你只要不測量這個(gè)粒子，人家就一直處于各種疊加態(tài)中。

如果聽懂這些，那量子糾纏就很容易理解。現(xiàn)在我們知道：每個(gè)單獨(dú)的粒子都具有疊加態(tài)。

那你再想，如果兩個(gè)粒子通過某種方式組合在一起，那這兩個(gè)粒子的疊加態(tài) 是彼此獨(dú)立的，還是相互纏繞的？

答案是相互纏繞的。

那如果一個(gè)單獨(dú)的粒子衰變成兩個(gè)更小的粒子，那這時(shí)候這兩個(gè)粒子的疊加態(tài)是彼此獨(dú)立的，還是相互纏繞的？

答案依舊是相互纏繞的。

兩個(gè)粒子如果一開始具有某種共同的關(guān)系，那么即便兩個(gè)粒子分開，其疊加態(tài)也是纏繞在一起的。而量子糾纏正是這種疊加態(tài)相互纏繞的體現(xiàn)。

比如，一個(gè)具有0自旋的粒子突然衰變了，變成了兩個(gè)粒子，那么這兩個(gè)粒子由于都是由同一個(gè)粒子衰變而來的，所以在初始狀態(tài)就建立起聯(lián)系了。

未來，不管這兩個(gè)粒子距離有多遠(yuǎn)，這種聯(lián)系會(huì)一直存在，具體表現(xiàn)就是疊加態(tài)的相互纏繞。這時(shí)候，這兩個(gè)粒子就是彼此的糾纏粒子。

糾纏粒子之間的疊加態(tài)會(huì)超越空間和時(shí)間進(jìn)行相互作用。

現(xiàn)在注意我剛才說的這句話，疊加態(tài)會(huì)超越空間和時(shí)間進(jìn)行相互作用。

超越空間很好理解，就是把兩個(gè)糾纏粒子分開，超越時(shí)間指的是兩個(gè)粒子的相互作用是同時(shí)的，理論上，甚至沒有速度的概念。

這里面的相互作用指的是對一個(gè)糾纏粒子進(jìn)行測量，比如自旋，就會(huì)同時(shí)決定另一個(gè)糾纏粒子的自旋結(jié)果。

沒測量之前，這兩個(gè)糾纏粒子的自旋處于疊加態(tài)，每個(gè)粒子即是上旋也同時(shí)是下旋。

測量行為就會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)粒子的自旋變得確定，如果一個(gè)糾纏粒子的自旋為上，那另一個(gè)必然為下，反之亦然。測量行為導(dǎo)致的疊加態(tài)消失就是測量坍塌效應(yīng)。

現(xiàn)在很多人都知道量子糾纏是超光速的，其實(shí)這種說法并不嚴(yán)謹(jǐn)。

在理論上，量子糾纏就不存在速度的概念。因?yàn)榧m纏粒子之間的相互作用是同時(shí)發(fā)生的，如果說存在速度的話，那是不是意味著糾纏粒子的相互作用存在時(shí)間差呢？

所以在提到量子糾纏的時(shí)候，盡量不要用“瞬間”“立馬”這樣的詞語描述，最好用“同時(shí)”這個(gè)詞。

理論歸理論，但是實(shí)驗(yàn)還得做，你不做實(shí)驗(yàn)，怎么知道糾纏粒子的作用就是同時(shí)的呢？

但是回頭一想，貌似這樣的實(shí)驗(yàn)壓根就無法做。

假如，你把兩個(gè)糾纏粒子放到太空中，距離30萬公里，時(shí)間精度是0.1秒，操作了一通，結(jié)果的確發(fā)現(xiàn)量子糾纏是同時(shí)的。

但是有人還會(huì)說，時(shí)間精度不夠，這只能說明量子糾纏的速度不低于10倍光速。

然后，你又將時(shí)間精度提高到0.01秒，即便實(shí)驗(yàn)依舊成立，但還會(huì)有人說精度不夠，這只能表明量子糾纏不低于100倍光速。

2013年，由中國科學(xué)家 潘建偉 帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)就測試過量子糾纏的速度下限。

在這篇名為《限制“遠(yuǎn)處的幽靈行動(dòng)”的速度》的論文摘要中提到。

愛因斯坦等人將量子糾纏中的非局域關(guān)聯(lián)稱為“遠(yuǎn)處的幽靈行動(dòng)”，如果確實(shí)存在這一可怕的行為，那它的速度是多少呢？

在這里，我們通過觀察 連續(xù)12個(gè)小時(shí)違反貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：“幽靈行動(dòng)”的速度下限是光速的四個(gè)數(shù)量級。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)意味著：起碼在驗(yàn)證上，量子糾纏至少是光速的一萬倍。但要清楚，由于實(shí)驗(yàn)精度的限制，目前只能確定量子糾纏的“速度”不會(huì)低于光速的一萬倍。

在未來，如果條件允許，還會(huì)做量子糾纏超光速一億倍，一兆倍的實(shí)驗(yàn)。

但這樣的測量有意義嗎？

其實(shí)并沒有多大意義，我估計(jì)在未來，要證明一臺(tái)超級計(jì)算機(jī)的算力，除了測量圓周率的位數(shù)外，還會(huì)新增量子糾纏超光速多少倍的指標(biāo)。

接著下一個(gè)問題，現(xiàn)在既然已經(jīng)確定量子糾纏是超光速的，那這種超光速到底是如何實(shí)現(xiàn)的？

在目前的物理框架中，兩個(gè)物體要進(jìn)行相互作用，必然需要借助一種中介物質(zhì)（介質(zhì)）。

在標(biāo)準(zhǔn)模型中，我們已經(jīng)知道：光子，膠子等玻色子和各種場可以充當(dāng)物質(zhì)相互作用的介質(zhì)。

但是這些介質(zhì)的速度上限是光速。

所以對于超光速的量子糾纏來說，是沒有任何玻色子和場能夠充當(dāng)糾纏粒子之間的介質(zhì)的。

于是就出現(xiàn)了另一種解釋，這種解釋便是邏輯判斷。

這里有兩個(gè)經(jīng)典案例，一個(gè)是寡婦模型，一種是手套模型。

我們先說說寡婦模型。鐵蛋和翠花本是一對情侶，經(jīng)過了長達(dá)10年的愛情長跑，終于結(jié)婚了。在結(jié)婚的那一刻，鐵蛋和翠花就有了夫妻之實(shí)。這種關(guān)系就相當(dāng)兩個(gè)糾纏粒子享有共同的疊加態(tài)。

突然有一天，作為丈夫的鐵蛋因?yàn)檐嚨湌炝恕Ｋ栽谑聦?shí)上，不管翠花愿意不愿意，鐵蛋掛的同時(shí)，也是她變成寡婦的同時(shí)。

這就相當(dāng)于對一個(gè)糾纏粒子的測量，會(huì)同時(shí)影響另一個(gè)糾纏粒子。

還有一種解釋就是，手套模型，將一雙手套，隨機(jī)放入兩個(gè)盒子，只有當(dāng)打開其中一個(gè)盒子的同時(shí)，也就會(huì)同時(shí)知道另一個(gè)盒子里裝的是什么手套。

這兩種案例就是典型的邏輯判斷，這種解釋也能讓很多人愉快地接受量子糾纏。

可問題就在于，人家事實(shí)并不是這樣的。

如果量子糾纏是邏輯判斷的話，一旦測量，那結(jié)果就是確定的，不會(huì)再改變。

而事實(shí)上卻是，如果打開盒子發(fā)現(xiàn)是左手套，蓋上盒子后，再打開，就又可能變成右手套了。

量子糾纏就是這樣，多次測量糾纏粒子，其結(jié)果并不相同。

這就奇怪了，為了解釋這個(gè)問題，愛因斯坦也是絞盡腦汁，因?yàn)樵趷垡蛩固箍磥恚魏蝺蓚€(gè)粒子之間要進(jìn)行相互作用，必然要依靠介質(zhì)，但任何介質(zhì)的速度都無法超光速。

也就說，任何遙遠(yuǎn)區(qū)域發(fā)生的事件都不能以超光速的形式 影響另一區(qū)域的事件。就是著名區(qū)域?qū)嵲谡摗?/p>

愛因斯坦自然是區(qū)域?qū)嵲谡摰暮葱l(wèi)者。

在他看來，糾纏粒子之所以看起來可以違背區(qū)域?qū)嵲谡摚且驗(yàn)榧m纏粒子之間存在一種人類還沒有發(fā)現(xiàn)的作用機(jī)制。

愛因斯坦將這種未知的作用機(jī)制叫做隱形的變量，也就是隱變量。

并指出，由于量子力學(xué)還沒有發(fā)現(xiàn)這種隱變量，所以量子力學(xué)并不成熟，還有很多亟待完善的地方。這就引申出量子力學(xué)是否具有完備性的爭論。

所以，這時(shí)候，問題的一切都集中在這個(gè)隱變量上了。

其實(shí)在上個(gè)世紀(jì)三十四年代，大部分物理學(xué)家都支持愛因斯坦的隱變量學(xué)說，包括量子之父的普朗克和喜歡玩貓的薛定諤。

因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)的保守派看來，哥本哈根學(xué)派用概率描述粒子也就罷了，畢竟找不到更好的理論描述粒子的行為，這暫時(shí)只是不得已的辦法。大家即便有矛盾，還起碼可以坐下來好好商量。

而量子糾纏這種違反區(qū)域?qū)嵲谡摰某馑傩袨椋喼辈荒苋蹋@直接和相對論干起來了，連桌子都給掀了，大家就沒有商量的余地。

保守派從來沒有接受過如此扯淡的理論，不管從科學(xué)常識(shí)還是內(nèi)心情感來說，都無法接受量子糾纏這種詭異的相互作用。

1935年，愛因斯坦聯(lián)合 波多爾斯基 和 羅森共同發(fā)表了名為《能認(rèn)為量子力學(xué)對物理實(shí)在的描述是完全的嗎》。由于這篇論文的三個(gè)作者名字的首字母分別是E，P，R。所以這一論文也稱為EPR佯謬。

現(xiàn)在問題是提出來了，但是解決問題的人遲遲還沒有出現(xiàn)。

直到29年后的1964年，愛爾蘭物理學(xué)家約翰?貝爾 才提出了 貝爾不等式，給出了驗(yàn)證EPR佯謬的可行性實(shí)驗(yàn)

這個(gè)實(shí)驗(yàn)主要是通過非均勻磁場角度的改變，測量糾纏粒子的自旋狀態(tài)的概率分布。

如果存在隱變量，那么測量糾纏粒子得到的概率就和磁場角度呈線性關(guān)系，貝爾不等式立，愛因斯坦是對的。

如果糾纏粒子的概率和磁場角度呈非線性關(guān)系，則貝爾不等式不成立，隱變量不存在，則量子力學(xué)是完備的。

科學(xué)家在半個(gè)世紀(jì)內(nèi)，做了大量的貝爾實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果全都指向，貝爾不等式不成立，愛因斯坦是錯(cuò)的。量子糾纏之間不存在所謂的隱變量。

但是這些實(shí)驗(yàn)還存在著不小的爭議，主要的爭議是 用于實(shí)驗(yàn)的糾纏粒子距離太近，操作實(shí)驗(yàn)過程不隨機(jī)。

為了解決這些問題，后來還有10萬人參與的大貝爾實(shí)驗(yàn)。事實(shí)上，物理學(xué)家對大貝爾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一點(diǎn)都不意外。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)更多的意義是面向大眾的一次科普活動(dòng)。在座的很多小朋友也許正是通過大貝爾實(shí)驗(yàn)才開始了解量子力學(xué)的。

講到這里，很多小朋友們已經(jīng)按捺不住內(nèi)心的躁動(dòng)了，腦海中已經(jīng)誕生了偉大的想法。

我雖然不知道你在想什么，但是答案就是：不能！

首先，量子糾纏這種超光速現(xiàn)象并不存在傳播子（介質(zhì)）。沒有傳播子就證明：在量子糾纏的超光速作用中，并沒有實(shí)在的物質(zhì)發(fā)生了超光速運(yùn)動(dòng)，也就無法承載信息和能量，所以并不違背相對論。

你可能還會(huì)想，即便沒有傳播子，量子糾纏照樣可以傳遞信息。

你的想法是不是這樣的：先將二進(jìn)制的0和1分別對應(yīng)成粒子的上旋和下旋。

通過對粒子不斷的測量，就會(huì)形成大量的上旋和下旋結(jié)果，通過解讀自旋結(jié)果就能對應(yīng)成0和1，這樣就可以傳遞信息了。

這種想法固然很好，但問題是，測量糾纏粒子導(dǎo)致的 自旋疊加態(tài)坍塌 是完全隨機(jī)的，你根本無法按照預(yù)訂的想法控制自旋態(tài)坍塌的結(jié)果。所以無法刻錄有效的信息。

這時(shí)候可能有人會(huì)說，沒關(guān)系的，不用控制自旋的狀態(tài)也能傳遞信息。

我們只需將自旋疊加態(tài)是否坍塌看成0或1就行。

假設(shè)，自旋疊加態(tài)坍塌的這一行為是1，沒有坍塌是0。

那么就可以設(shè)定，在一秒內(nèi)，如果粒子的自旋態(tài)坍塌了，就證明遙遠(yuǎn)的那個(gè)糾纏粒子已經(jīng)被測量了，那么這就表示1。如果一秒內(nèi)沒有坍塌，那就證明沒有被測量，這就代表0。

這種想法固然美好，但你又是怎么知道粒子是否坍塌了？

你想要知道糾纏粒子自旋態(tài)是否坍塌就得觀察。

那自旋態(tài)坍塌的結(jié)果到底是因?yàn)槭悄愕挠^察而坍塌，還是因?yàn)檫b遠(yuǎn)的糾纏粒子被測量而坍塌的。所以這種方式也是被堵死的

其實(shí)，我們理解量子糾纏一定不能套用經(jīng)典的物理概念。

因?yàn)榱孔邮澜绲囊磺卸际悄：模瑳]有確定的行為。這并不是因?yàn)殡娮语@微鏡的分辨率不夠高，而是由于量子世界的本質(zhì)就是疊加態(tài)，模糊，不確定的。

所以只能用概率描述模糊。

量子糾纏也是一種模糊的疊加狀態(tài)，這種疊加狀態(tài)不會(huì)因?yàn)榫嚯x的遠(yuǎn)近而變得忽強(qiáng)忽弱，因?yàn)樵诹孔恿W(xué)看來，具有相同疊加態(tài)的糾纏粒子其實(shí)是同一個(gè)粒子，具有量子不可分離性。

我們之所以難以理解量子糾纏，就是搞錯(cuò)了整體的概念。

我們可以不假思索地認(rèn)為一個(gè)原子就是一個(gè)整體。

但是當(dāng)你把原子放大看，里面幾乎都是空的，都是縫隙，那這時(shí)候原子還能被視為整體嗎？

由于這種縫隙相對于人類來說太小了，所以我們難以察覺。

但是對于兩個(gè)糾纏粒子來說，人家本來就是一個(gè)具有不可分離的整體。

空間縫隙可大可小，如果糾纏粒子之間的距離是0.001納米，那么它們之間的縫隙就可以忽略，我們就可以心安理得地認(rèn)為糾纏粒子之間的作用再正常不過了。

但是當(dāng)這種縫隙大到一光年，我們就無法理解糾纏粒子的相互作用行為了。這時(shí)候我們就會(huì)忘記，其實(shí)這兩個(gè)糾纏粒子本來就是同一個(gè)粒子而已，只不過縫隙有點(diǎn)大。

這一點(diǎn)的確很反常識(shí)，在理論框架中，只有基本粒子才能被視為不可分離的整體，既然不可分離，怎么可能存在縫隙。

所以就有物理學(xué)家認(rèn)為糾纏粒子只是同一個(gè)粒子在高維空間的體現(xiàn)。

這種理論的通俗解釋是：假如我們生活在二維空間的一個(gè)平面上，在這個(gè)平面上有個(gè)粒子，如果這個(gè)二維平面在三維空間上卷起來了，那么這個(gè)粒子在二維空間看來，就存在一個(gè)分身，本體和分身之間即便相距十分遙遠(yuǎn)也會(huì)同時(shí)相互作用，這簡直就無法理解。

但在三維空間看來，這本來就是同一個(gè)粒子，并不足為奇。高維空間或許也是解釋量子糾纏的一種可靠理論。