量子纠缠为何能“超光速”传播?没有违反爱因斯坦的相对论吗?
先说答案:并不违反。
爱因斯坦的狭义相对论中,的确有“光速限制”,但这里的光速限制并不是绝对的,也是有前提的。
这个前提就是:任何具有静质量的物体,或者说任何信息的传播速度都不可能超过光速。言外之意,只要任何一个速度不传播任何信息,就可以尽情地超越光速。而量子纠缠恰恰就是这样一个现象。
何为量子纠缠?物理学上的定义是,当两个或多个微观粒子发生相互作用后,每个粒子所拥有的属性就会转换为整体属性,这时候我们就无法单独描述单个粒子的属性。
不太好理解?没关系,可以用宏观物体来打个比方。
比如说,有两只手套分别装在密封的袋子里,我们不知道到底是左手套还是右手套。如果这两只手套没有任何关系,当我们打开其中一个袋子,发现是左手套,那么另外一个袋子里是左手套还是右手套呢?
我们并不知道,因为这两只手套没有任何关系。但如果是一双手套,当我们打开其中一个袋子,比如说发现是左手套,我们瞬间就能知道另一个袋子里是右手套,不用打开袋子就知道。因为这两只手套具有“纠缠”关系,它们是一个整体。
当然, 用上面的例子来诠释量子纠缠其实是不严谨的,但作为科普来讲,最重要的就是通俗,而通俗往往意味着不太严谨,两者很难兼得。
实际上量子纠缠到底是怎么回事呢?为什么说量子纠缠的速度远超光速,甚至超过光速的10000倍,但并没有违反爱因斯坦的相对论呢?
简单讲,因为量子纠缠过程并没有传递任何信息,所以不违反相对论中的光速限制。具体来讲,量子纠缠其实是这么回事。
量子世界很诡异,因为那里的一切都是不确定的,都是模糊的,只能用概率来描述,也就是所谓的概率波或者波函数。当我们试图进行观测时,微观粒子的波函数就会发生坍缩,表现为确定状态。
但“波函数坍缩”到底是怎么回事呢?为什么会发生坍缩呢?
严格来讲,科学家们并不知道波函数坍缩的底层逻辑到底是什么,所谓的“波函数坍缩”其实只是科学家做出的一个假设, 但这个假设非常符合实验结果。就像“光速不变原理”那样,实际上人类并不知道为什么光速不变,它只是一个假设,但很符合实验观察结果。
不过科学家们可以根据波函数坍缩尽可能解读背后的本质。电子光子等微观粒子,看似是某种粒子,其实本质上就是波。光是一种波,很多人都能理解,但电子也是波吗?
确实如此,不仅仅电子,所有的基本粒子其实都是波。那为什么波会表现出粒子的性质呢?
因为能量并不是连续的,而是量子化的,电磁波量子化的基本单位就是光量子,也就是光子,它是一份一份的,而不是连续的。而且,宇宙中不仅仅有电磁场,还存在其他场,比如说电子场,中微子场等。而场受到扰动之后就会变成激发态,成为某种波。
重要的不是以上这些,而是由于微观粒子本质上是波,可以通过求解薛定谔方程得出它们的波函数,这就意味着微观粒子确实是无处不在的,可以在宇宙中的每一个地方,甚至同时出现在两个不同的地方。
而当我们进行观测时,看到的也只是微观粒子恰好出现在我们观测的地方。刚才说了,微观粒子无处不在,所以无论我们观测任何一个地方,总会发现微观粒子就在那里等我们!
而由于两个或多个微观粒子处于纠缠态,实际上就等同于它们之间的波函数处于某种叠加态,于是我们观测任何一个粒子状态时,其他粒子的状态就可以瞬间确定下来。
这才是纠缠的本质。处于纠缠态的不同粒子,其波函数都相互叠加在一起。说白了,在我们观测时,观测到的微观粒子的状态看似发生了坍缩,其实只是微观粒子恰好出现在了我们观测地方。
同时,一旦我们对纠缠中的微观粒子实施了观测,微观粒子之间的纠缠态瞬间就会消失,它们不再具有纠缠关系,这也意味着我们不可能通过纠缠中的粒子来传递信息。
而如今蓬勃发展的量子通信技术,其实并不是利用量子纠缠来超光速传递信息,而是通过量子纠缠作用来实现“量子密钥分发”,说白了就是给信息加密,一方面加密的信息很难被破解,而且任何人一旦试图窃取信息,就会立刻被发现,从而保证信息的绝密性。
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