做了這么多的科普，涉及最多的就是相對論和量子力學。在量子力學當中，量子糾纏又是很重要的一個概念，之前也有做過對量子糾纏的科普，但看到網(wǎng)絡上對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中的兩個概念：波粒二象性和疊加態(tài)。
波粒二象性，很多人都應該聽說過，講的是微觀粒子同時具有兩種特性，波和粒子的特性，有時候表現(xiàn)出波的特性，有時候會表現(xiàn)出粒子的特性。
而波動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，動量，自旋等各種物理特性的疊加態(tài)。
簡單理解就是，在微觀粒子被測量之前，它就一直處于各種疊加態(tài)。
弄懂了這點，再來看量子糾纏就更好理解了。由于每個粒子都有疊加態(tài)，那么如果兩個微觀粒子通過某種方式結(jié)合在一起，這兩個微觀粒子原先具有的疊加態(tài)是獨立的，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，如果某個微觀粒子衰變成兩個更小的粒子，那么這兩個粒子的疊加態(tài)是獨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，它們的疊加態(tài)仍舊是糾纏在一起的，而這其實就是所謂的量子糾纏。
而物理學上對量子糾纏的定義其實也是這樣的，當幾個粒子在彼此相互作用后，各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質(zhì)，無法單獨描述單個粒子的性質(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”。
舉個例子，如果一個自旋為零的微觀粒子發(fā)生了衰變，衰變成兩個更小的粒子，由于這兩個粒子都是由同一個微觀粒子衰變來的，于是兩者一開始就建立起了某種聯(lián)系。所以，不管這兩個粒子未來相距多遠，它們之間都會存在某種聯(lián)系，其實也就是一直處在量子糾纏狀態(tài)當中。
量子糾纏不受空間和時間的限制，通俗理解就是，兩個糾纏中的粒子能無視空間和時間的存在，不管相距多遠都能瞬間感應彼此。
是不是違反愛因斯坦相對論中的光速限制了呢？并沒有，因為量子糾纏的過程并沒有傳遞任何信息，說白了量子糾纏看似兩個粒子之間的關(guān)系，其實本質(zhì)來講是一個系統(tǒng)的屬性，兩個粒子屬于同一個系統(tǒng)。通俗理解就是：兩個粒子相當于是一個東西！
拿自旋來舉例子，在沒有測量之前，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，每個粒子的自旋方向可以同時是“朝上”和“朝下”的，而不是“朝上或者朝下”。
而任何測量行為都會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，如果測量到某個粒子的自旋方式為朝上，那么另一個粒子的自旋方向立刻就會坍縮為朝下，根本不用再次測量。
而測量行為導致粒子從疊加態(tài)坍縮為確定狀態(tài)，就是物理學術(shù)語講的“觀測行為導致波函數(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)改變是同時發(fā)生的。而如果存在速度的話，不管速度有多快，一定會存在時間差，這個時間差其實與量子糾纏的概念是不符的。
所以，嚴格來講，用“瞬間和立刻”等詞語來描述量子糾纏過程，其實都是不嚴謹?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，科學是嚴謹?shù)模庥欣碚撌遣恍械?，還需要實驗來驗證，不然很難有說服力。
但尷尬的地方就在這里，現(xiàn)實中我們根本無法通過實驗來驗證量子糾纏的過程是同時發(fā)生的。這到底是為什么呢？
簡單講，因為我們測量到的時間精度無論如何都是有限的。比如說，把兩個糾纏中的粒子放到相距30萬公里的兩個地方，時間精度可以精確到0.1秒，我們會發(fā)現(xiàn)在這個時間精度下，量子糾纏確實是同時的。
但其實這并不是說明量子糾纏就是同時的，最多只能說明量子糾纏的速度大于10倍光速，畢竟我們的時間精度只有0.1秒。
如果我們將時間精度提高到0.01秒，在這個精度下，可以認為量子糾纏也是同時的。但是還會有人提出質(zhì)疑，認為量子糾纏的速度只是高于100倍光速而已，并不能說明是同時的。
說白了，在現(xiàn)實世界里，我們不可能完全證明量子糾纏真的是同時的，只能測試量子糾纏的速度下限，并把這個下限不斷提升。
而物理學界大佬愛因斯坦堅決反對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界大佬長達數(shù)十年的爭論，直到貝爾不等式的出現(xiàn)，兩人的爭論才漸漸平息。
關(guān)于貝爾不等式，這里就不想詳述了，之后我會單獨寫一篇關(guān)于貝爾不等式的科普。簡單講就是，貝爾不等式不成立，玻爾就對了。而貝爾不等式成立的話，愛因斯坦就對了。而實驗觀察結(jié)果表明，貝爾不等式不成立，所以玻爾對了，愛因斯坦錯了。
而在人們對違反貝爾不等式的實驗進行長期觀察之后，得出這樣的結(jié)論：量子糾纏的速度下限能達到光速的四個量級。
這意味著什么？意味著光量子糾纏的速度至少能達到光速的一萬倍！而考慮到實驗過程中的時間精度一定是有限的，所以，量子糾纏的“速度”絕對會比光速的一萬倍更高。
隨著人類科技水平不斷提升，測量儀器的精度不斷調(diào)高，可以預見的是，未來測量到的量子糾纏的速度一定會更高，能達到光速的一億倍甚至更高。
既然這樣，這種測量量子糾纏速度的方式還有意義嗎？
其實意義并不大，因為不管未來的人類科技多么發(fā)達，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驗去最終驗證。
那么，就讓我們把這個問題暫時擱置，來探討另一個問題：科學家早已明確量子糾纏的過程是超光速的，那么這個超光速的過程到底是如何實現(xiàn)的呢？
在目前的科學體系下，任何兩個物體的作用都需要某種介質(zhì)才能實現(xiàn)。而在粒子標準模型中，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備結(jié)婚，結(jié)婚之后兩人就具有了夫妻關(guān)系，相當于兩人糾纏在一起，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)局確實讓人惋惜，讓人同情。但就事實而言，A和B的夫妻關(guān)系在A因車禍去世的同時，B也就變成了一個寡婦。
也就是說，A和B就相當于糾纏中的“粒子”，A出車禍去世就相當于我們測量了A的狀態(tài)，而在我們測量的同時，也會影響到B的狀態(tài)！
第二，所謂的“手套模型”，這個模型本質(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封閉的盒子里，不管這兩個盒子相距多遠，只要打開其中一個盒子，發(fā)現(xiàn)是左手套，那么另一個盒子里的手套就是右手套，相當于我們能同時獲取兩個手套的狀態(tài)，理論上不會有任何時間差。
以上兩種對量子糾纏邏輯上的解釋，能讓很多人愉快地接受，畢竟兩種解釋確實足夠通俗，很容易理解。
但事實上，以上兩種解釋并不嚴謹，科學就是這樣，想要通俗往往就意味著不嚴謹，而想要嚴謹往往意味著有復雜的晦澀難懂的詞匯和高深的數(shù)學公式，自然就不通俗了。而科普要做的就是通俗的基礎(chǔ)上盡量做到嚴謹，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謹呢？
還拿“手套模型”來說明。在我們打開其中一個盒子發(fā)現(xiàn)是左手套時，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，實際上在量子糾纏領(lǐng)域并不是這樣的，如果手套是一個微觀粒子，在我們蓋上盒子再打開，并不一定還是左手套，可能會變成右手套了。
這就是量子糾纏的真實狀態(tài)，兩個粒子的狀態(tài)都是不確定的疊加態(tài)，說白了，任何一個盒子里的手套都是同時處于“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，每次測量結(jié)果可能都不一樣。
而愛因斯坦對量子糾纏這種怪異現(xiàn)象感到匪夷所思，因為愛因斯坦一直是“決定論”的支持者，也就是經(jīng)典物理，認為無論如何兩個粒子之間的作用，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。
愛因斯坦表達的思想其實就是“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，之所以量子糾纏會出現(xiàn)看起來超光速的現(xiàn)象，是因為其中一定還有某種隱變量沒有被發(fā)現(xiàn)。正因為隱變量的存在，所以愛因斯坦認為量子力學肯定是不成熟不完善的。
這就引發(fā)了關(guān)于量子力學完備性的爭論，而爭論的焦點就在所謂的“隱變量”上面。其實也是剛才所講的愛因斯坦和玻爾爭論的焦點。
以玻爾為首的哥本哈根學派認為，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能接受哥本哈根學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。畢竟當時對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)象直接動搖了相對論的根基，甚至動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《論量子力學對物理現(xiàn)實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難題，直到物理學家約翰貝爾的出現(xiàn)，他提出的貝爾不等式，給出了用來驗證EPR佯謬的可行性實驗。實驗過程就不多說了，之前也提到過，會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，愛因斯坦就是對的。否則，如果不存在隱變量，愛因斯坦就是錯的，玻爾就是對的。
而大量的實驗結(jié)果都指向了一個結(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。
愛因斯坦錯了，是不是因為光速真的被超越了？難道光速限制錯了嗎？
剛才也講了，量子糾纏的過程看起來確實遠超光速，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承載任何信息和能量，自然也不違反相對論中的光速限制。
其實，我們之所以認為量子力學太詭異了，不符合我們的傳統(tǒng)認知，就是因為我們會下意識地用經(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，當然就不會認為量子力學很詭異，反而會認為宏觀世界的行為會很詭異。
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)。而觀測就會導致不確定性發(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，電子隨機出現(xiàn)在原子核周圍，我們只能計算出電子在某個位置出現(xiàn)的概率是多少，而不能確定電子一定會在某個地方出現(xiàn)。
這與人類的觀測水平高低和精準度無關(guān)，因為量子世界本來就是那樣的，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)與距離的遠近沒有任何關(guān)系。從量子力學的角度來講，兩個糾纏中的粒子其實已經(jīng)融合為一個粒子了。
之所以很多人無論如何都很難接受量子糾纏現(xiàn)象，就是因為一直試圖把糾纏中的粒子當做兩個獨立的粒子來思考問題，沒有真正把兩個粒子當做一個整體。
就像一個原子，我們當然會認為原子就是一個整體。但是如果我們把原子不斷放大，會看到原子內(nèi)部幾乎都是空的，如果原子有一個體育場那么大，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整體嗎？
肯定是一個整體，但對于如此空曠的原子，我們會不自覺地認為不應該算是一個整體了，這就是我們認知上的誤區(qū)和局限性。事實上，不管把原子放大多少倍進行觀看，原子仍舊是一個整體。
用同樣的方式理解糾纏中的粒子，就很容易接受了。兩個糾纏中的粒子其實就是同一個粒子，只不過兩者相距很遠罷了，就相當于兩個糾纏粒子之間的縫隙非常空曠罷了。
關(guān)于這一點，確實有些違背我們對基本粒子的常識認知。按照現(xiàn)有的科學體系，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。
這也是為什么會有科學家提出“高維空間”的概念來解釋量子糾纏，這種概念認為，所謂糾纏中的粒子只不過是某個粒子在不同維度空間的表現(xiàn)而已。
舉個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，會看到兩個粒子，會認為二維平面的粒子多出了一個分身，這個分身在我們?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，都能同時發(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粒子，當然會同時發(fā)生作用了。
那么，我們在三維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，目前科學界并沒有定論，還沒有通過實驗來證明，更多的只是停留在數(shù)學概念里。
也許未來某天，科學家們真的發(fā)現(xiàn)了高維度存在的證據(jù)，我們對于量子糾纏現(xiàn)象會恍然大悟：困擾我們這么久的量子糾纏現(xiàn)象，原來這么簡單?。?/p>
完！
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