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爱因斯坦的“幽灵”传送靠谱吗?量子纠缠也解释不了

来源:科普中国-科普中国融合创作 2017-07-12     

  出品:科普中国

  制作:中国科学技术大学 郭光灿 中国科普博览

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  约100年前,阿尔伯特·爱因斯坦提出了一套饱受争议的量子物理理论,即“幽灵般的远距效应”(spooky action at a distance)。他认为量子纠缠理论不够完整,有所缺失,并认为这种“幽灵远距效应”并不存在。

爱因斯坦(图片来源于网络)

  如今,一名科学家希望证明爱因斯坦的理论是正确的。而他借助的工具其实与量子物理关联不大——人类意识。这项研究可能是科学研究首次触及意识领域,但是对于量子纠缠理论的影响尚未可知。

(图片来源于网络)

  爱因斯坦提出“幽灵远距效应”后诸多的科学实验中,科学家们都试图证明爱因斯坦是错的,并试图运用量子纠缠理论去做一些看似匪夷所思的事情,比如用爱因斯坦“幽灵”实现超光速通信或企图用它传送诸如人之类的实体物,这些实验看似真的很荒谬,实际上也是不可行的,那究竟是为什么呢?

  量子纠缠理论

  要了解量子纠缠理论用于实现实体物传送尚不可行,我们首先必须了解一下这个理论——量子纠缠。量子纠缠是指,两个粒子即使相隔数光年之遥,也能够具有相互联系的特性。

  这种“相互联系”的特性看似诡异,一如双胞胎所谓的“心灵感应”,那么这种“隐形”联系是否存在呢?

  爱因斯坦认为,这说明量子纠缠理论存在漏洞,为了证明仅用量子力学描述世界的不完整性,他从量子力学原理出发,推演出一个十分荒谬的结果,这就是爱因斯坦等人1935年提出的著名的“EPR佯谬”。

EPR佯谬(图片来源于网络)

  “EPR”佯谬

  设想有一个量子系统由两个自旋为1/2的粒子构成,每个粒子的自旋要么向上(↑),要么向下(↓),但两个粒子的总自旋为零,这意味他们总是处于自旋相反的状态。

  现在将粒子A和B分别配置于相距遥远的两个地方,例如,A在地球上,B在月球上。按照量子力学的预言,每个粒子的自旋方向是不确定的,在任何方向上测量会有一半概率向上,一半概率向下。但如果地球上的粒子A被测量并发现其自旋向下,那么月球上的粒子B即便不测量也能确定其自旋必定向上,因为AB自旋总是相反的。

  可见,地球上A未测量时,月球上B只有一半概率向上,而地球上A一旦被测量,并发现自旋向下,那月球上的B立刻以百分之百概率处于自旋向上的状态。月球上B的状态似乎是瞬时被地球上A的测量所控制,这种控制行为以超光速方式发生。这就是从量子力学原理推演出来的必然结果。

  爱因斯坦由此断定,“超光速”行为是绝对不可能发生,他称之为“幽灵般的超距作用”。量子力学造就出这个不可能存在的“幽灵”,由此可见“量子力学是不完备的”,不足以正确地描述真实的世界,为正确地描述世界,必须从量子力学理论体系之外引进新的参数(俗称为隐参数),来消除“量子世界的概率性”,这个“幽灵”也自然就消失掉!这就是EPR佯谬的故事。

  那么量子力学如何应对EPR佯谬?如何解释这个神奇的幽灵呢?首先,在EPR实验中,月球上B虽然测到自旋向上,但仅从这次测量的结果,无法推断出它是以50%还是100%的概率获得此结果的,换句话说,它根本不可能由此知道地球上A是否被测量这个信息,因此这里根本不存在“信息传送”。即使“幽灵”超光速,也不违背狭义相对论“信息传送不能超光速”的原理。

  量子隐形传态

  上述EPR实验中,似乎地球上A的测量是“因”,而月球上B的后测量是其“果”,而“幽灵”担负着这个“因果”关联的角色。如若“幽灵”的角色真的存在,那可否利用量子来进行实体物的传输呢?

  “量子隐形传态”是量子纠缠的一种奇妙应用,并被实验所验证。这个过程已成为量子通信等的重要物理基础,已开辟出具有潜在应用价值的新技术。

  量子隐形传态的英文是“Quantum Teleportation”。先说一下,“Teleportation”的含义是“远距传物”,通常在科幻电影或神话小说中出现,人或物在某地突然消失,瞬间在远处重现。现实中当然无法做到,但“量子纠缠”出现后,科学家提出“量子隐形传态”的方案,可以使量子信息或者称量子态在某处消失,随后在远处重现,有点像上述神话中的“远距传物”。具体过程如下:

  另一点特别要强调的是,A、B、C都应当是量子客体,它们可以不属同一类,可以分别是光子、原子、电子等,但都遵从量子力学规律。

  结论是,量子隐形传态是量子客体之间的一种“非瞬时的”量子信息传送的过程。

  这个结论否定了经典客体之间实现这种隐形传送信息的可能性。经典信息的传送必须有物理载体的携带才能实现,这种物理载体可以是声波、电磁波(包括光波)、引力波等。

  因此,想要用量子进行实体物的传输基本上是不可能的。

  虽然量子纠缠理论并不能运用于超光速通信与实体物传送,但是理论本身依然有很大的研究空间,如若我们开头所说的物理学家能够从人的思维领域证明爱因斯坦的正确性,那是否又会引领物理学的新一轮革命?让我们拭目以待。

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