解讀量子糾纏,量子為何會發生糾纏?
更新于:2025-04-03 16:23:27

關於量子糾纏的本質,即便在物理界的權威也尚未完全破解,因此,對於我們普通人而言,深入探討它,也並非易事。不過,這並不代表我們不能嘗試去理解這一神秘現象。在這裡,我將通過深入淺出的方式,為您解析這一奇特的物理現象。

正如您提到的,關於量子力學的理解,物理學界的專家們甚至風趣地指出,如果您覺得自己理解了量子力學,那恰恰表明您可能尚未完全領會其真諦!然而,這並不是科學傳播的終點。即便頂尖的物理學家們對於量子糾纏的確切本質瞭解甚少,但他們憑藉豐富的知識儲備和卓越的洞察力,他們仍然能夠基於現有理論和發現,對量子糾纏的底層邏輯進行推測。

我們首先來回顧一下,何為量子糾纏。根據物理學的界定,量子糾纏指的是,在兩個或多個粒子發生相互作用之後,它們原本的特性不再獨立存在,而是融合為整體性質。此時,我們無法單獨描述每個粒子的特性,而只能闡述整個系統的性質。

量子糾纏之所以被稱為“詭異”,是因為無論粒子間的距離多遠,它們都能瞬間感知到彼此,這種通信速度甚至超過了光速。對於這一奇特現象,物理學界曾展開激烈討論,兩大主流觀點截然不同。

以愛因斯坦為首的經典物理學陣營堅信,量子力學中的這些異常現象,如“鬼魅般的超距作用”,其實質是量子力學本身尚未完善所致。他們推測,肯定有一些未被發現的隱變數在起作用。一旦找到這些隱變數,就能夠解釋那些令人費解的現象。愛因斯坦的追隨者包括著名的薛定諤等。

而與之對立的是哥本哈根學派,以玻爾、玻恩和海森堡等為代表,他們所提出的理論也被稱為“哥本哈根詮釋”。該詮釋的核心觀點包括不確定性原理、疊加態以及波函數坍縮等。量子糾纏,不過是不確定性和疊加態的一種具體體現,是量子世界的基本屬性。兩大學派的辯論持續了相當長的一段時間,直到玻爾和愛因斯坦等大師離世,亦未能得出最終結論。

20世紀60年代,物理學家約翰·貝爾提出了一個邏輯嚴密的數學不等式,即貝爾不等式。貝爾的理論是,如果該不等式成立,那麼愛因斯坦的觀點就是正確的,而哥本哈根學派則犯了錯誤。然而,實驗結果表明,貝爾不等式並未成立。

通過反覆的實驗驗證,科學家們最終確定,貝爾不等式不成立。因此,愛因斯坦關於隱變數的假設被否定,哥本哈根學派在這場爭論中勝出。

如今,物理學家們已經證實了量子世界中的許多奇異現象,比如量子糾纏、量子隧穿效應和波函數坍縮等。儘管我們不知道為什麼會出現這些現象,但這並不妨礙科學家們利用這些特性為全人類的進步服務。

現在,我們來探討一下物理學家們關於量子糾纏本質的幾種推測。如前所述,無論相隔多遠,處於糾纏狀態的粒子都能瞬間感應到彼此。以測量為例,當我們測量到一個粒子的自旋方向為上時,另一個粒子的自旋方向會立即變為下,整個過程幾乎是瞬間完成的。

科學家們通過實驗證實了這一點。早在2016年,中國的墨子號量子衛星實驗將兩個糾纏的光子分隔超過1200公里,結果發現它們依然保持著糾纏狀態。儘管我們無法在無限遠的距離上驗證糾纏粒子的性質,但理論上可以進行分析。

要理解量子糾纏的特性,首先需要排除意識感應的解釋。儘管很多人對此頗感興趣,但這已超出科學認知的範圍,主流科學界仍然認為量子糾纏是微觀世界的基本屬性。

我們可以這樣來理解糾纏粒子:它們就像一副手套,不管距離多遠,只要確定了其中一隻手套的狀態,如左手套,那麼另一隻手套的狀態,即右手套,便可立即確定。這個過程並沒有傳遞任何資訊,沒有人告訴我們另一隻手套是右手套。

當然,這隻是個類比,實際上,糾纏粒子的性質與手套並不完全相同。糾纏中的粒子狀態實際上是未確定的,如果將手套比喻為微觀粒子,那麼每隻手套實際上都處於既是左手套又是右手套的疊加狀態!

觀測行為會使得手套從疊加態坍縮到唯一的確定狀態,如果坍縮為左手套,那麼另一隻手套會立即坍縮為右手套。

物理學家們還提出了“全同粒子”的概念來解釋量子糾纏現象。全同粒子是指具有完全相同內稟屬性的粒子,如電子、質子、中子和光子等,它們可以是基本粒子,也可以是由基本粒子構成的複合粒子,如阿爾法粒子。

糾纏中的粒子就如同全同粒子,本質上是一個粒子,而不是兩個獨立的粒子。因此,糾纏中的兩個粒子無法單獨描述單個粒子的性質,而只能描述整個系統的性質。

用量子場論的概念來理解,粒子的本質實際上是波,通俗地說就是“能量包”。糾纏中的兩個或多個粒子只是波的某種表現形式。在理論上,波可以延伸至無窮遠的地方,而任何形式的觀測都會導致波發生坍縮,成為確定狀態,即我們所見的粒子。

當然,以上的解釋也只是基於現有理論的假設,並沒有直接的實驗證據支撐。還有更為大膽的猜想,認為量子糾纏現象可能只是高維度在低維度上的投影所導致的。這種猜想雖然大膽,但更難以通過實驗驗證,瞭解這些有助於拓寬我們的思維視野。

最後,我們需要澄清一個關於量子通信的常見誤解。

許多人認為量子通信是利用量子糾纏現象進行超光速的信息傳遞,實際上並非如此。任何信息的傳遞都不可能超過光速,這是不容置疑的。量子通信的主要目的並非傳遞資訊,而是利用量子糾纏現象進行量子密鑰分發,換言之,就是給資訊加密,以保障資訊的安全。

傳統的加密方式,無論密碼多麼複雜,理論上都有可能被破解。但是利用量子糾纏現象進行資訊加密則不存在被破解的可能性。因為量子的狀態本質上是不確定的,是完全隨機的,而我們在現實生活中遇到的所有隨機行為實際上都是偽隨機,有其規律可循。但在量子世界中,一切皆為真正的隨機,毫無規律可循。

同時,如果有人試圖竊取資訊,必須進行某種形式的觀測,而任何觀測行為都會引起量子發生坍縮,量子狀態的改變一定會引起資訊發送者和接收者的注意,使竊取行為無法得逞。