量子会相互纠缠,那么其本质原因是什么?

量子纠缠是量子力学预言的一种特殊现象,指多个微观粒子量子态的关联,在测不准原理下表现出一种距离效应。如果你不太明白上面的句子,你只能继续读下面的...量子力学里没有一句话可以说清楚...

起源——决定论与非决定论的争论20世纪二三十年代,在普朗克和爱因斯坦建立的旧量子论的基础上,发展了以玻尔为首的哥本哈根学派为代表的量子力学,其核心思想是海森堡提出并经玻尔修正完善的测不准原理。这个原理指出微观粒子的状态——量子态在自然界是不确定的,并不是因为测量技术的限制。这意味着力学理论无法在物理层面上准确预测微观粒子!

作为决定论的坚定支持者,爱因斯坦对这一观点进行了严厉的驳斥,并与以玻尔为首的哥本哈根学派进行了多次激烈的争论。他有一句不可理喻的名言:“上帝不掷骰子!”来表达他对决定论的信仰。玻尔做出了毫不妥协的针锋相对:“不要干涉上帝的所作所为。”

反对者提出的一个理论预言是无力用信仰反驳科学理论的,于是爱因斯坦想出各种思想实验来证明哥本哈根学派量子力学的荒谬,但都被玻尔等人解决了。最后,爱因斯坦、他的同事波多尔斯基和他的助手罗森共同发表了一篇论文《量子力学能否完整地描述物理现实?反驳哥本哈根学派的量子力学。这篇论文后来被命名为EPR论文,有三个人的首字母,他们根据哥本哈根解释提出了一个违反狭义相对论的量子现象:

一对光子是用特殊的方式制造出来的,然后用一条足够远的光路分开,比如1光年。基于守恒定律,同时产生的两个光子的量子态有一些关联,比如自旋方向和动量。即当我们测量其中一个的某个状态时,必须同时得到另一个的相应状态。如果按照哥本哈根学派的说法,微观粒子在测量之前并不是以确定的状态存在,而是在测量之后坍缩到随机状态,那么当我们测量与这一对量子态关联的其中一个光子时,我们就得到它的某个状态,我们也就知道了一光年之外的关联光子的对应状态。那么问题来了,如果测量时光子A的状态是随机确定的,那么在一光年之外的关联光子B是如何瞬间获得光子A的状态,从而选择坍缩到相应的状态的呢?这显然比光还快!

爱因斯坦等人认为,这一对光子的状态是在产生的一瞬间决定的,无论相距多远,两者的状态都不会改变,所以我们可以通过测量其中一个来同时了解另一个。爱因斯坦等人提出的这个理论预言相当致命,直接把哥本哈根学派的量子力学推到了狭义相对论的对立面。

玻尔反击哥本哈根学派大老板玻尔当然不同意爱因斯坦的观点,但同时又不愿意挑战狭义相对论的正确性。他皱着眉头想:光子对的状态并不是在制造的时候就确定的,测量之前甚至连两个光子都没有,而是所有可能状态的叠加,其中包含了产生两个相关光子的所有状态。也就是说,在测量时,并不是两个相关光子的波函数(描述微观粒子的态函数)分别坍缩,而是一个波函数的坍缩产生了两个相关光子。

这样,玻尔成功避免了两个光子需要超光速通信的尴尬。所以爱因斯坦发现的这个“佯谬”其实并不是佯谬,后来被称为EPR佯谬。波函数的提出者薛定谔将他命名为量子纠缠。

可能有同学会问,一个波函数坍缩成两个相隔1光年的光子,不是比光还快吗?但是量子力学就是这么不合理,因为波函数本身分布在整个空间,波函数在整个空间坍缩,不管坍缩到1光子还是100光子,其实都是一样的。如果你认为坍缩到两个光子就是超光速,那么实际上坍缩到一个光子也会认为你是超光速!比如单光子波函数的全空间坍缩,你会问,这个在其他所有可能位置的光子是怎么知道自己已经坍缩到测量位置的?如下图所示:

爱因斯坦作为量子理论的创始人,接受了波函数坍缩的过程,因为有实验依据。他当然不会想到,当薛定谔波动力学描述的波函数坍缩到海森堡矩阵力学描述的光子时,被测光子就要通知其余光子不要出现了...这张照片想想就好笑...

因此,我们可以认为爱因斯坦对玻尔的反击是不可接受的,但没有异议。

回顾了量子纠缠的历史,我们还得回到最开始的问题:量子为什么会相互纠缠?

答案是:因为守恒。不管动量守恒,角动量守恒还是各自守恒,一堆相互关联的微观粒子的整体物理量一定是守恒的!

第二个问题:量子纠缠的本质原因是什么?

答案是:微观粒子的叠加态。

终极问题:本质上是什么导致了叠加态?

答案是:我不知道...这是一个物理事实,我不知道为什么...

最后一个建议:不要试图从逻辑上理解量子力学。

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