做了這么多的科普，涉及最多的就是相對(duì)論和量子力學(xué)。在量子力學(xué)當(dāng)中，量子糾纏又是很重要的一個(gè)概念，之前也有做過對(duì)量子糾纏的科普，但看到網(wǎng)絡(luò)上對(duì)量子糾纏的誤解仍舊很深，今天再次盡量以通俗的方式來詮釋量子糾纏。
在了解量子糾纏之前，首先需要明白量子力學(xué)中的兩個(gè)概念：波粒二象性和疊加態(tài)。
波粒二象性，很多人都應(yīng)該聽說過，講的是微觀粒子同時(shí)具有兩種特性，波和粒子的特性，有時(shí)候表現(xiàn)出波的特性，有時(shí)候會(huì)表現(xiàn)出粒子的特性。
而波動(dòng)性與粒子性疊加在一起的狀態(tài)，就是所謂的“疊加態(tài)”。但就具體表現(xiàn)來講，疊加態(tài)并不僅僅指波粒二象性的疊加，還包括位置，偏振，動(dòng)量，自旋等各種物理特性的疊加態(tài)。
簡(jiǎn)單理解就是，在微觀粒子被測(cè)量之前，它就一直處于各種疊加態(tài)。
弄懂了這點(diǎn)，再來看量子糾纏就更好理解了。由于每個(gè)粒子都有疊加態(tài)，那么如果兩個(gè)微觀粒子通過某種方式結(jié)合在一起，這兩個(gè)微觀粒子原先具有的疊加態(tài)是獨(dú)立的，還是相互糾纏在一起的呢？
答案是：相互糾纏在一起的。
相反地，如果某個(gè)微觀粒子衰變成兩個(gè)更小的粒子，那么這兩個(gè)粒子的疊加態(tài)是獨(dú)立的還是相互糾纏在一起的呢？
答案仍舊是相互糾纏在一起。
也就是說，兩個(gè)具有疊加態(tài)的粒子一旦通過某種方式結(jié)合在一起，擁有某種共同的關(guān)系，即使兩者被分開，甚至分開得很遠(yuǎn)，它們的疊加態(tài)仍舊是糾纏在一起的，而這其實(shí)就是所謂的量子糾纏。
而物理學(xué)上對(duì)量子糾纏的定義其實(shí)也是這樣的，當(dāng)幾個(gè)粒子在彼此相互作用后，各個(gè)粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質(zhì)，無法單獨(dú)描述單個(gè)粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)，則稱這現(xiàn)象為“量子糾纏”。
舉個(gè)例子，如果一個(gè)自旋為零的微觀粒子發(fā)生了衰變，衰變成兩個(gè)更小的粒子，由于這兩個(gè)粒子都是由同一個(gè)微觀粒子衰變來的，于是兩者一開始就建立起了某種聯(lián)系。所以，不管這兩個(gè)粒子未來相距多遠(yuǎn)，它們之間都會(huì)存在某種聯(lián)系，其實(shí)也就是一直處在量子糾纏狀態(tài)當(dāng)中。
量子糾纏不受空間和時(shí)間的限制，通俗理解就是，兩個(gè)糾纏中的粒子能無視空間和時(shí)間的存在，不管相距多遠(yuǎn)都能瞬間感應(yīng)彼此。
是不是違反愛因斯坦相對(duì)論中的光速限制了呢？并沒有，因?yàn)榱孔蛹m纏的過程并沒有傳遞任何信息，說白了量子糾纏看似兩個(gè)粒子之間的關(guān)系，其實(shí)本質(zhì)來講是一個(gè)系統(tǒng)的屬性，兩個(gè)粒子屬于同一個(gè)系統(tǒng)。通俗理解就是：兩個(gè)粒子相當(dāng)于是一個(gè)東西！
拿自旋來舉例子，在沒有測(cè)量之前，糾纏中粒子的自旋方向一直處于疊加態(tài)，我們無法區(qū)分，每個(gè)粒子的自旋方向可以同時(shí)是“朝上”和“朝下”的，而不是“朝上或者朝下”。
而任何測(cè)量行為都會(huì)讓粒子的自旋方向從“朝上和朝下”的疊加態(tài)，坍縮為“要么朝上要么朝下”的確定狀態(tài)。而且，如果測(cè)量到某個(gè)粒子的自旋方式為朝上，那么另一個(gè)粒子的自旋方向立刻就會(huì)坍縮為朝下，根本不用再次測(cè)量。
而測(cè)量行為導(dǎo)致粒子從疊加態(tài)坍縮為確定狀態(tài)，就是物理學(xué)術(shù)語講的“觀測(cè)行為導(dǎo)致波函數(shù)坍縮”。
能夠看出，量子糾纏的過程根本不存在速度的概念，糾纏中粒子的狀態(tài)改變是同時(shí)發(fā)生的。而如果存在速度的話，不管速度有多快，一定會(huì)存在時(shí)間差，這個(gè)時(shí)間差其實(shí)與量子糾纏的概念是不符的。
所以，嚴(yán)格來講，用“瞬間和立刻”等詞語來描述量子糾纏過程，其實(shí)都是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?/strong>。不過，通俗理解的情況下，我們可以這么用，我們心里明白怎么回事就行了。
但以上只是理論上的定義和分析，科學(xué)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模庥欣碚撌遣恍械?，還需要實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，不然很難有說服力。
但尷尬的地方就在這里，現(xiàn)實(shí)中我們根本無法通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證量子糾纏的過程是同時(shí)發(fā)生的。這到底是為什么呢？
簡(jiǎn)單講，因?yàn)?strong>我們測(cè)量到的時(shí)間精度無論如何都是有限的。比如說，把兩個(gè)糾纏中的粒子放到相距30萬公里的兩個(gè)地方，時(shí)間精度可以精確到0.1秒，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在這個(gè)時(shí)間精度下，量子糾纏確實(shí)是同時(shí)的。
但其實(shí)這并不是說明量子糾纏就是同時(shí)的，最多只能說明量子糾纏的速度大于10倍光速，畢竟我們的時(shí)間精度只有0.1秒。
如果我們將時(shí)間精度提高到0.01秒，在這個(gè)精度下，可以認(rèn)為量子糾纏也是同時(shí)的。但是還會(huì)有人提出質(zhì)疑，認(rèn)為量子糾纏的速度只是高于100倍光速而已，并不能說明是同時(shí)的。
說白了，在現(xiàn)實(shí)世界里，我們不可能完全證明量子糾纏真的是同時(shí)的，只能測(cè)試量子糾纏的速度下限，并把這個(gè)下限不斷提升。
而物理學(xué)界大佬愛因斯坦堅(jiān)決反對(duì)量子糾纏這種詭異現(xiàn)象，并稱量子糾纏為“鬼魅般的超距作用”。也因此出現(xiàn)了愛因斯坦和玻爾兩位物理學(xué)界大佬長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的爭(zhēng)論，直到貝爾不等式的出現(xiàn)，兩人的爭(zhēng)論才漸漸平息。
關(guān)于貝爾不等式，這里就不想詳述了，之后我會(huì)單獨(dú)寫一篇關(guān)于貝爾不等式的科普。簡(jiǎn)單講就是，貝爾不等式不成立，玻爾就對(duì)了。而貝爾不等式成立的話，愛因斯坦就對(duì)了。而實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果表明，貝爾不等式不成立，所以玻爾對(duì)了，愛因斯坦錯(cuò)了。
而在人們對(duì)違反貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行長(zhǎng)期觀察之后，得出這樣的結(jié)論：量子糾纏的速度下限能達(dá)到光速的四個(gè)量級(jí)。
這意味著什么？意味著光量子糾纏的速度至少能達(dá)到光速的一萬倍！而考慮到實(shí)驗(yàn)過程中的時(shí)間精度一定是有限的，所以，量子糾纏的“速度”絕對(duì)會(huì)比光速的一萬倍更高。
隨著人類科技水平不斷提升，測(cè)量?jī)x器的精度不斷調(diào)高，可以預(yù)見的是，未來測(cè)量到的量子糾纏的速度一定會(huì)更高，能達(dá)到光速的一億倍甚至更高。
既然這樣，這種測(cè)量量子糾纏速度的方式還有意義嗎？
其實(shí)意義并不大，因?yàn)椴还芪磥淼娜祟惪萍级嗝窗l(fā)達(dá)，也不管電腦的算力有多高，最終得到的量子糾纏的速度下限都是光速的多少倍，因此而已。也就是說，有些理論很難通過實(shí)驗(yàn)去最終驗(yàn)證。
那么，就讓我們把這個(gè)問題暫時(shí)擱置，來探討另一個(gè)問題：科學(xué)家早已明確量子糾纏的過程是超光速的，那么這個(gè)超光速的過程到底是如何實(shí)現(xiàn)的呢？
在目前的科學(xué)體系下，任何兩個(gè)物體的作用都需要某種介質(zhì)才能實(shí)現(xiàn)。而在粒子標(biāo)準(zhǔn)模型中，光子，膠子，規(guī)范玻色子還有假象中的引力子都是物體相互作用的介質(zhì)。而這些介質(zhì)傳播的速度上限就是光速。
也就是說，量子糾纏的過程，不可能涉及任何介質(zhì)的傳播，不然就不可能超光速了。
如此一來，我們只能暫時(shí)從邏輯上來判斷了?？傮w來講可以通過兩種模式來理解量子糾纏。
第一，所謂的“寡婦模型”。具體是這樣的，男性A和女性B相愛了，幾年只有相愛的兩人準(zhǔn)備結(jié)婚，結(jié)婚之后兩人就具有了夫妻關(guān)系，相當(dāng)于兩人糾纏在一起，擁有微觀粒子的那種“疊加態(tài)”，兩人也共享這種“疊加態(tài)”。
然后，不幸的是出現(xiàn)了，某一天A意外出車禍去世了，這樣的結(jié)局確實(shí)讓人惋惜，讓人同情。但就事實(shí)而言，A和B的夫妻關(guān)系在A因車禍去世的同時(shí)，B也就變成了一個(gè)寡婦。
也就是說，A和B就相當(dāng)于糾纏中的“粒子”，A出車禍去世就相當(dāng)于我們測(cè)量了A的狀態(tài)，而在我們測(cè)量的同時(shí)，也會(huì)影響到B的狀態(tài)！
第二，所謂的“手套模型”，這個(gè)模型本質(zhì)上與“寡婦模型”大同小異，只是更通俗更容易理解，具體來講是這樣的。
把一副手套分別裝在兩個(gè)封閉的盒子里，不管這兩個(gè)盒子相距多遠(yuǎn)，只要打開其中一個(gè)盒子，發(fā)現(xiàn)是左手套，那么另一個(gè)盒子里的手套就是右手套，相當(dāng)于我們能同時(shí)獲取兩個(gè)手套的狀態(tài)，理論上不會(huì)有任何時(shí)間差。
以上兩種對(duì)量子糾纏邏輯上的解釋，能讓很多人愉快地接受，畢竟兩種解釋確實(shí)足夠通俗，很容易理解。
但事實(shí)上，以上兩種解釋并不嚴(yán)謹(jǐn)，科學(xué)就是這樣，想要通俗往往就意味著不嚴(yán)謹(jǐn)，而想要嚴(yán)謹(jǐn)往往意味著有復(fù)雜的晦澀難懂的詞匯和高深的數(shù)學(xué)公式，自然就不通俗了。而科普要做的就是通俗的基礎(chǔ)上盡量做到嚴(yán)謹(jǐn)，不過還是以通俗為主，畢竟科普的目的是讓大家明白。
為什么說上面兩種解釋不嚴(yán)謹(jǐn)呢？
還拿“手套模型”來說明。在我們打開其中一個(gè)盒子發(fā)現(xiàn)是左手套時(shí)，蓋上盒子再打開，肯定還是左手套。
但這只是我們的宏觀日常生活經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際上在量子糾纏領(lǐng)域并不是這樣的，如果手套是一個(gè)微觀粒子，在我們蓋上盒子再打開，并不一定還是左手套，可能會(huì)變成右手套了。
這就是量子糾纏的真實(shí)狀態(tài)，兩個(gè)粒子的狀態(tài)都是不確定的疊加態(tài)，說白了，任何一個(gè)盒子里的手套都是同時(shí)處于“左手套和右手套”的兩種狀態(tài)，只有在打開盒子的那一瞬間，手套的狀態(tài)才會(huì)從“既是左手套又是右手套”的疊加態(tài)，坍縮為“要么是左手套，要么是右手套”的確定狀態(tài)。
量子世界和量子糾纏就是這么奇特，每次測(cè)量結(jié)果可能都不一樣。
而愛因斯坦對(duì)量子糾纏這種怪異現(xiàn)象感到匪夷所思，因?yàn)閻垡蛩固挂恢笔恰?strong>決定論”的支持者，也就是經(jīng)典物理，認(rèn)為無論如何兩個(gè)粒子之間的作用，一定要通過某種介質(zhì)，所以任何粒子的相互作用速度都無法超光速。
愛因斯坦表達(dá)的思想其實(shí)就是“局域?qū)嵲谡?/strong>”，說白了就是宇宙中存在光速限制。
在愛因斯坦看來，之所以量子糾纏會(huì)出現(xiàn)看起來超光速的現(xiàn)象，是因?yàn)槠渲幸欢ㄟ€有某種隱變量沒有被發(fā)現(xiàn)。正因?yàn)殡[變量的存在，所以愛因斯坦認(rèn)為量子力學(xué)肯定是不成熟不完善的。
這就引發(fā)了關(guān)于量子力學(xué)完備性的爭(zhēng)論，而爭(zhēng)論的焦點(diǎn)就在所謂的“隱變量”上面。其實(shí)也是剛才所講的愛因斯坦和玻爾爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。
以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派認(rèn)為，只能用概率描述量子世界里微觀粒子的行為和狀態(tài)，也就是所謂的不確定性。
如果說愛因斯坦還勉強(qiáng)能接受哥本哈根學(xué)派的這種不確定性詮釋的話，那么無論如何他都不能接受量子糾纏這種超光速的行為。畢竟當(dāng)時(shí)對(duì)于量子世界的詭異行為，除了哥本哈根詮釋，也沒有別的更好的解釋。
但量子糾纏的超光速現(xiàn)象直接動(dòng)搖了相對(duì)論的根基，甚至動(dòng)搖了最基本的因果律，這是愛因斯坦無論如何都不能接受的。
于是，1935年，愛因斯坦就聯(lián)合波多爾斯基和羅森，三人一起提出了著名的“EPR佯謬”，發(fā)表了《論量子力學(xué)對(duì)物理現(xiàn)實(shí)的描述是否是完備的？》論文，質(zhì)疑哥本哈根詮釋的完備性。
問題是提出來了，但如何解決問題成了一個(gè)難題，直到物理學(xué)家約翰貝爾的出現(xiàn)，他提出的貝爾不等式，給出了用來驗(yàn)證EPR佯謬的可行性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程就不多說了，之前也提到過，會(huì)用專門的一章科普講解貝爾不等式。
還是那句話，如果存在隱變量，貝爾不等式就成立，愛因斯坦就是對(duì)的。否則，如果不存在隱變量，愛因斯坦就是錯(cuò)的，玻爾就是對(duì)的。
而大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都指向了一個(gè)結(jié)果：貝爾不等式并不成立，也就意味著并不存在愛因斯坦提出的隱變量。
愛因斯坦錯(cuò)了，是不是因?yàn)楣馑僬娴谋怀搅耍侩y道光速限制錯(cuò)了嗎？
剛才也講了，量子糾纏的過程看起來確實(shí)遠(yuǎn)超光速，但量子糾纏那并不依靠任何傳播子，也就是介質(zhì)，這意味著量子糾纏的過程并不會(huì)承載任何信息和能量，自然也不違反相對(duì)論中的光速限制。
其實(shí)，我們之所以認(rèn)為量子力學(xué)太詭異了，不符合我們的傳統(tǒng)認(rèn)知，就是因?yàn)槲覀儠?huì)下意識(shí)地用經(jīng)典物理去衡量量子世界的行為。而如果我們一開始就生活在量子世界里，當(dāng)然就不會(huì)認(rèn)為量子力學(xué)很詭異，反而會(huì)認(rèn)為宏觀世界的行為會(huì)很詭異。
也就是說，我們不能用經(jīng)典物理的理論套用量子世界。在量子世界里，一切都是模糊的，并沒有確定的行為狀態(tài)。而觀測(cè)就會(huì)導(dǎo)致不確定性發(fā)生坍縮，讓我們看到確定的世界。
比如說，原子核外電子的狀態(tài)分布，就是不確定的，電子隨機(jī)出現(xiàn)在原子核周圍，我們只能計(jì)算出電子在某個(gè)位置出現(xiàn)的概率是多少，而不能確定電子一定會(huì)在某個(gè)地方出現(xiàn)。
這與人類的觀測(cè)水平高低和精準(zhǔn)度無關(guān)，因?yàn)榱孔邮澜绫緛砭褪悄菢拥?，電子的行為本來就是不確定的，只能用模糊的概率云去描述，表現(xiàn)出來的就是電子云。
而量子糾纏就是一種模糊的疊加狀態(tài)，這種狀態(tài)與距離的遠(yuǎn)近沒有任何關(guān)系。從量子力學(xué)的角度來講，兩個(gè)糾纏中的粒子其實(shí)已經(jīng)融合為一個(gè)粒子了。
之所以很多人無論如何都很難接受量子糾纏現(xiàn)象，就是因?yàn)橐恢痹噲D把糾纏中的粒子當(dāng)做兩個(gè)獨(dú)立的粒子來思考問題，沒有真正把兩個(gè)粒子當(dāng)做一個(gè)整體。
就像一個(gè)原子，我們當(dāng)然會(huì)認(rèn)為原子就是一個(gè)整體。但是如果我們把原子不斷放大，會(huì)看到原子內(nèi)部幾乎都是空的，如果原子有一個(gè)體育場(chǎng)那么大，那么原子核只有綠豆的大小，而電子比一粒塵埃還要小。
那么，放大后的原子還算是一個(gè)整體嗎？
肯定是一個(gè)整體，但對(duì)于如此空曠的原子，我們會(huì)不自覺地認(rèn)為不應(yīng)該算是一個(gè)整體了，這就是我們認(rèn)知上的誤區(qū)和局限性。事實(shí)上，不管把原子放大多少倍進(jìn)行觀看，原子仍舊是一個(gè)整體。
用同樣的方式理解糾纏中的粒子，就很容易接受了。兩個(gè)糾纏中的粒子其實(shí)就是同一個(gè)粒子，只不過兩者相距很遠(yuǎn)罷了，就相當(dāng)于兩個(gè)糾纏粒子之間的縫隙非常空曠罷了。
關(guān)于這一點(diǎn)，確實(shí)有些違背我們對(duì)基本粒子的常識(shí)認(rèn)知。按照現(xiàn)有的科學(xué)體系，基本粒子才具有不可分離的整體屬性。而不可分離意味著不可能有任何縫隙存在。
這也是為什么會(huì)有科學(xué)家提出“高維空間”的概念來解釋量子糾纏，這種概念認(rèn)為，所謂糾纏中的粒子只不過是某個(gè)粒子在不同維度空間的表現(xiàn)而已。
舉個(gè)通俗的例子來理解高維空間的解釋。比如說，二維平面上有一個(gè)粒子，如果把二維平面卷起來就形成了三維空間。但是在二維空間來看，會(huì)看到兩個(gè)粒子，會(huì)認(rèn)為二維平面的粒子多出了一個(gè)分身，這個(gè)分身在我們?nèi)S空間來看很容易理解，但二維空間就不好理解了。
在二維空間看來，粒子本身與其分身不管相距多遠(yuǎn)，都能同時(shí)發(fā)生相互作用，這太難理解了。殊不知粒子本身與分身本來就是同一個(gè)粒子，當(dāng)然會(huì)同時(shí)發(fā)生作用了。
那么，我們?cè)谌S空間里觀察到的量子糾纏現(xiàn)象，是不是可以用高維空間的思想去解釋呢？關(guān)于高維度的概念，目前科學(xué)界并沒有定論，還沒有通過實(shí)驗(yàn)來證明，更多的只是停留在數(shù)學(xué)概念里。
也許未來某天，科學(xué)家們真的發(fā)現(xiàn)了高維度存在的證據(jù)，我們對(duì)于量子糾纏現(xiàn)象會(huì)恍然大悟：困擾我們這么久的量子糾纏現(xiàn)象，原來這么簡(jiǎn)單??！
完！
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