相信大部分的人都听过量子物理学,也听过量子纠缠这个名词,那你相信吗?也许你也是一颗量子,在地球或宇宙的某处有另一颗量子正与你紧密纠缠!
想象一下,你现在有一只猫,而这只猫可能在这一刻是活的,也可能是死的,这听起来很荒谬,对吧?但在量子物理学中,这是可能发生的,这其实是著名的“薛定格的猫”的实验,薛定格是一位著名的量子物理学家,他提出了一个著名的概念,就是“量子纠缠”。
“量子纠缠”是指两个或多个粒子之间的一种神奇关系,即使它们之间相隔非常遥远,但它们却会同时发生相关联的变化。例如:如果你有两个量子 A 和 B 纠缠在一起,当你改变粒子 A 的状态时,粒子 B 的状态也会相应地改变,这种关系被称为“幽灵般的非局域性”,因为它们似乎可以瞬间地互相作用,即使它们相隔非常遥远。
如果你曾经玩过黑白猜谜游戏,就能更容易理解这个现象。想象有两个袋子,每个袋子里面各有一颗球,一颗黑球、一颗白球。现在你要把这两个袋子分别放在不同的房间里,让你的朋友进入其中的一间房间,他不知道那个袋子里面有什么球,只知道袋子里面有一颗球。而当你的朋友打开袋子后,他看到是一颗白球,这时,不管袋子在哪个房间,另外那个袋子里面的球就是黑球,这就是“量子纠缠”的概念。
诺贝尔奖得主约翰·贝尔在1964年提出了“贝尔定理”,他证明了量子纠缠是存在的。这个理论深刻地颠覆了我们对于自然界的看法,因为这代表在量子世界里,任意的两个粒子都可以互相影响,甚至在它们之间有一种看不见的力量在作用,听起来是不是很玄啊?
在量子物理学中,还有一个非常有名的实验,叫做“双狭缝实验”。当我们让一束光线穿过一个小孔时,它会形成一个光点;但如果我们在光点前面放上一个遮光板,遮住一部分光点,那么此光点就会变得较为暗淡。如果我们在遮光板上开两个小孔,让光线通过这两个小孔,最终形成的光点却会呈现出干涉条纹,这就是“双狭缝实验”。
但是更神奇的事情发生了,当我们想刻意观察这些光子通过小孔时,它们的行为却会发生改变。当我们不观察它们时,它们的行为就会像波一样,呈现出干涉条纹,但当我们观察时,它们的行为却又会变得像粒子一样,不会呈现出干涉条纹。
针对这种现象,科学家尝试进行解释:当我们观察一个微粒子时,我们实际上干涉了它的状态,使它从一个波的状态变成了一个粒子的状态。换句话说,观察者的存在改变了微粒子的行为。
量子纠缠与贝尔不等式的矛盾验证
“量子纠缠”和“贝尔不等式”是量子力学中的重要概念和定理。简单来说,“量子纠缠”是指两个或多个量子系统之间的关系,这些系统经过相互作用后,它们之间的状态是相互关联的,无论它们之间有多远的距离,它们的状态都是相互关联的。“贝尔不等式”是一个数学公式,用于检验量子力学是否能够解释物理系统之间的相关性,即“局部实在性”的原则。
具体来说,当两个量子系统经过相互作用后产生纠缠时,它们之间的状态是相互关联的,且任何一个系统的测量都会立即影响到另一个系统的状态,这种现象被称为“量子紊流”。
“贝尔不等式”提供了一个方法,可以测试这种纠缠是否遵守局部实在性的原则,如果实验结果符合贝尔不等式,则纠缠的状态可以被解释为符合局部实在性的物理理论;但如果实验结果不符合贝尔不等式,则这种纠缠现象就不能被解释为遵从局部实在性的物理理论,反过来反而可以证明这是量子纠缠现象所表现出来的特点。
看到了这里,你是不是已经堕入了伸手不见五指的思维浓雾中呢?
一位著名的量子物理学家也是诺贝尔奖得主理察·费曼(Richard Feynman)曾经说过:“如果你认为你理解了量子力学,那你就是没有理解。” 这句话充分体现了量子物理学的复杂性和奇妙性。
在现代科技中,量子物理学的应用非常广泛,例如:在量子计算、量子通信、量子加密、量子计算机等方面都有非常重要的应用。因此,我们可以看到量子物理学的发现和研究不仅推动了科学的发展,也对我们对世界的理解带来了巨大的贡献,尤其是对接下来的未来世界。
推荐给好奇的大家,可以在家或学校进行的量子实验:那就是知名的双狭缝实验。
明腾老师偷偷跟大家说,也许真正的科学真相是玄学,而中国古代的老子和庄子其实是很厉害的量子物理学家!