量子力学的纠缠

量子力学的纠缠

所谓量子纠缠，是量子世界中又一奇妙的现象。科学家发现，在同一特殊反应中能够生成两个且只有两个相互纠缠的量子，这两个量子如孪生一般，对其中一个发生作用，另外一个会同时做出相同的变化。比如一对相互纠缠的电子，如果他们的纠缠方式是反向纠缠，一个正向旋转，那么另外一个必然反向旋转。假设你将前边的电子改为反向旋转，那么另外一个会同时变为正向旋转。而且，这两个电子无论相聚多远，哪怕是银河系的两端，也不能阻碍他们同时发生变化。

      他们之间是如何联系的呢？这种联系速度甚至达到光速的十倍。这不科学。因为按照相对论，光速无法被超越。爱因斯坦把这种鬼魅般的联系称为“幽灵作用”。

      诚然，直到今天，我们还没有确凿证据找到能超越光速的物质。所以，哥本哈根学派告诉爱因斯坦，世界本来就是这样的。

      爱因斯坦的主要支持者薛定谔，更是提出了一个对于哥本哈根学派如同噩梦的实验——“薛定谔的猫”。

      既然量子力学的理论都是解释微观状态，那如何与宏观世界结合呢？薛定谔假设，在一个箱子里，放一个原子核，原子核是个量子级概念，它在不确定的时间内会自发的产生衰变，谁都无法预测衰变的准确时间。箱子内设计一个机关，当原子核衰变时，将联动一把锤子，打破装有可以毒死猫的毒气瓶。箱子里边放一只猫，然后把箱子盖上。请问，过一段时间后，箱子里装着的是一只活猫还是死猫？

      按照哥本哈根学派的理论，观察行为会改变物质变化的状态。好，那不观察呢？

      对此，哥本哈根学派只能吞下苦水，承认那只猫是处于半死不活的混合态。

      波尔和爱因斯坦的论战，也是量子力学和经典力学的论战。争论虽然直到今天输赢也没有定论，却促进了量子力学的发展和完善。

      论战使哥本哈根学派的思想广泛流传。

      科学家们并未停步，他们聪明的绕过了研究谁对谁错，而是选择忠于实验结论和计算结果。问到量子力学的原理，大多数物理学家会说“闭嘴，乖乖计算”。

      波尔说：“我们称之为真实的一切，都是由我们不能称之为真实的东西组成。”量子力学，充满许多匪夷所思的怪论，但是，一切的实验和计算，都验证出它是对的。原理如何，无人知晓；事实证明，爱因斯坦错了。

      根据量子力学的方程，人们设计了可以控制微小电流的开关，应用到激光、晶体管、集成电路等电子工业的大多领域。可以说量子力学如果不成立，那么我们的电脑、手机、相机等等电子元器件将统统失灵。没有量子力学的世界，我们只能回到蒸汽时代。

      以上就是简单的量子力学发展过程。近年，量子力学一词，出现的越来越频繁。我们普通人，怎么能够容易理解量子力学呢？如果我们能够打破几个定势思维，同样可以走进量子力学的奇妙世界。

颠覆思维之一、量子化无处不在

      从量子的名字看，很多人看到叫“子”，就认为是一种微小颗粒。在理解量子时，请忽略后边的“子”字，而看前边的“量”字。量子，拉丁语本意为“有多少”，代表“一定数量的某物质”。

      量子力学，虽然研究基本粒子，但是量子化，却是宇宙的属性。大到行星、小到细胞，最终分解都是可以量子化的。甚至人类的思维，科学证明，我们的意识同样不是连续的，每隔0.042秒就有微小的断开。那么我们的意识就可以视为以0.042秒为一份的量子化意识。

      我们所处的宏观世界是由微观世界组成的，两者并无清晰的界限。哪怕我们人体，同样由微小的原子组成。按照波粒二象性，如果告诉你，人同样是由波组成的，也并不需要意外。这在德布罗意的“物质波”理论中，已经有了答案。

      另外，抽象到如空间，也可以量子化。空间的量子化，产生了虫洞。虫洞的概念，是说我们只要有足够大的能量，就可以打开单位空间之间的间隙，依靠这样的虫洞，可以进行时间旅行、空间转移。这并不是科幻，至少从数学的推算中可行。虫洞也叫“爱因斯坦－罗森桥”，由爱因斯坦及罗森在研究引力场方程时推算得出。

      如太极的玄妙，宏观和微观相互交融，并非对立。解释宏观世界的经典物理学，和解释微观世界的量子力学，现在还极不相融，没有达成一致，但已有科学家通过实验开始把彼此归于统一。由此，可能会产生更加奇妙又伟大的理论。

颠覆思维之二：没有唯一的真理，甚至在科学中

      苹果砸到牛顿的头时，他发现了万有引力。今天我们知道，扔一个苹果，只要有足够大的能量，甚至可以把苹果扔出地球。这对于古代人，无法想象。

      认知没有止境时，真理就是相对的。

      假设世界只是一个平面，我们都是二维平面人，那么我们甚至都不能理解，在一个三维世界的地上出现了两个脚印是什么原理。还好，我们本身是三维的，知道脚印的上边是一个完整的人。那量子纠缠的超远距离“幽灵作用”是什么原因呢？科学家目前的解释有分歧，有些认为光速并不是极限速度，“幽灵作用”是超光速传导产生的；而也有科学家认为，宇宙本身是11维度的空间，“幽灵作用”是由于那些被压缩在空间内的、我们看不到的维度影响产生的。

      原理虽没澄清，但利用量子纠缠现象，我国已经于去年8月发射了量子通讯卫星，领先全球。

      量子力学正在渗透到科学的各个领域。例如生物学家甚至证明，我们的嗅觉，不是由我们一般认为的，闻到物品的分子产生，而是像我们的耳朵一样，“听到”了物品中亚原子颗粒的波动来加以区分。量子生物学正在颠覆传统生物学。

      科学的研究还在继续，可以肯定的是，我们看到的世界，并不是它的全部。

颠覆思维之三：没有绝对的存在，概率才是真实的面貌

      如果你在北京，对于我来说，你在北京的哪里呢？量子力学的解释是，你在北京的任意一个地方。就如我们想知道一个电子在原子中的位置，电子是以波的形式存在于整个原子空间里，直到你去观察时，才会具体的出现在一个点上。同样，我没有观察或者没有被告知时，你就如电子一般，在北京的任意一个角落都有存在的概率。

      量子力学目前不能准确的解释这种逻辑，他们说这就是真实的世界。

      这种概率存在的意义，目前在量子计算中显的更为实用。

      我们都知道，现代计算机的数学基础是二进制。计算机二进制中，一个单位信息叫一个比特。一个比特可以是0，或者1。如果我输入2个比特01，通过传输后，它依然是01。量子比特则不同，我输入两个最小单位的量子比特，这两个量子比特都有可能是0，也都有可能是1，概率均等。这时，输出的结果也不再是单一信息，而是四个可能，00、01、10、11。量子计算给了我们四个概率相等的、可供选择的、不确定的答案。这可以简单认为就是量子计算的原理。

      2个量子比特信息，答案是2的2次方个；3个量子比特，就是2的3次方个；……20个量子比特，就是2的20次方个，也就是100多万个。

      量子计算，会随着量子比特增加，呈几何级数增长。比如我们想从100万个不同比特信息中找到我们想要的一个，量子计算机不会像经典计算机一样逐个检索，而是同时检索100万个答案。只要设定一下条件，计算机可以在一秒内找到这个比特信息。

      这就是在5月3日我国宣布研发成功的量子计算机的计算能力。因为我国科学家，实现了10对纠缠状态下的量子计算，10对——20个量子，在计算中就是20个量子比特。

      想要判断量子计算到底牛不牛，学术界有三个达成共识的指标性节点：计算能力超越早期经典计算机是第一步，再是超越我们使用的个人电脑，最后是超越超级计算机。

      我国科学家在全球率先完成了最困难的第一步。

      量子计算机离我们已经如此之近。

      量子力学理论从量子一词诞生，到今天有117年的历史。量子力学已让我们的生活翻天覆地。随着对于量子力学研究的深入，实用化的量子产品终将迎来井喷的一天。

      波尔说：“如果谁不曾对量子论感到震惊，他就根本没有理解它。”

      我们对于量子的无知，就像300多年前，人类对于光的无知一样。人类探索量子世界秘密的过程，智慧之花也在悄然绽放。

      也许，在未来的某一天，人类完全理解了量子的世界，才发现量子力学这门超现代科学本身，正是生命古老的事实。

量子力学极简史

        由伽利略和牛顿等人于17世纪创立的经典物理学，经过18世纪在各个基础部门的拓展，到19世纪得到了全面、系统和迅速的发展，达到了它辉煌的顶峰。到19世纪末，已建成了一个包括力、热、声、光、电诸学科在内的、宏伟完整的理论体系。

      经典力学、经典电动力学、经典热力学和统计力学形成了物理世界的三大支柱。它们紧紧地结合在一块儿，构筑起了一座华丽而雄伟的殿堂。

        人们也许终于可以相信，上帝造物的奥秘被他们所完全掌握了，再没有遗漏的地方。

        物理学家们开始相信，这个世界所有的基本原理都已经被发现了，物理学已经尽善尽美，它走到了自己的极限和尽头，再也不可能有任何突破性的进展了。著名的科学家基尔霍夫说：“物理学的未来，将只有在小数点第六位后面去寻找”。普朗克的导师甚至劝他不要再浪费时间去研究这个已经高度成熟的体系。

        19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。

        同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“在物理学的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩着。”

        这令人不安的乌云，一朵是以太漂移实验的否定结果，另一朵是黑体辐射的紫外灾难。

        从第一朵乌云中降生了相对论，紧接着从第二朵乌云中降生了量子论。经典物理学的大厦被彻底动摇。

实际上“乌云”不止这两朵，还包括：

        1895年，伦琴(Wilhelm Konrad Rontgen)发现了X射线。

        1896年，贝克勒尔(Antoine Herni Becquerel)发现了铀元素的放射现象。

        1897年，居里夫人(Marie Curie)和她的丈夫皮埃尔·居里研究了放射性，并发现了更多的放射性元素：钍、钋、镭。

        1897年，J.J.汤姆逊(Joseph John Thomson)在研究了阴极射线后认为它是一种带负电的粒子流。电子被发现了。

        1899年，卢瑟福(Ernest Rutherford)发现了元素的嬗变现象。

        就是这几朵乌云带来了一场震撼整个物理学界的革命风暴，导致了现代物理学的诞生。

        为解决黑体辐射问题，1900年12月14日，普朗克冲破经典物理机械论的束缚，提出了量子论，标志着人类对量子认识的开始。这一天也就成为了量子力学的诞辰。

        接着1905年，爱因斯坦受普朗克量子化的思想启发，引进光量子(光子)的概念，成功地解释了光电效应。1905年被称为科学史上的奇迹年，爱因斯坦在这一年发表了6篇论文，3月18日，发表了刚才提到的关于光电效应的文章，成为了量子论的奠基石之一，他也为此获得了诺贝尔奖。4月30日，发表了关于测量分子大小的论文，这位他赢得了博士学位。5月11和12月19日，两篇关于布朗运动的论文，成了分子论的里程碑。6月30日，发表题为《论运动物体的电动力学》的论文，这个不起眼的题目后来被加上了一个如雷贯耳的名称，叫做“狭义相对论”。9月27日，发表了关于物体惯性和能量的关系，这是狭义相对论的进一步说明，并且在其中提出了著名的质能方程E=MC^2。单单这一年的工作，便至少配得3个诺贝尔奖。

        1913年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。玻尔是个看上去沉默驽钝的人，可是重剑无锋，大巧不工，在他一生中几乎没有输过哪一场认真的辩论。可见波尔是个十分厉害的人，他于1922年获得诺贝尔奖，他的小儿子在1975年在量子力学领域获得诺贝尔奖，他的学生海森堡，泡利，狄拉克、朗道获得诺贝尔奖。

        在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于1923年提出了物质波这一概念。认为一切微观粒子均伴随着一个波，这就是所谓的德布罗意波。德布罗意可以说是一个奇才，本来是个研究欧洲历史的，半路出家学了物理。德布罗意在他五年的研究生生涯几乎一无事成，他的博士论文也就一页多一点，他的导师朗之万拿着他的博士论文不知怎么办，就寄给了爱因斯坦，爱因斯坦拿着德布罗意的论文决定很有意思，于是德布罗意就顺利拿到了博士学位。

        薛定谔看到德布罗意的关于物质波的博士论文，从中受到启发。将电子的运动看作是波动的结果，其运动的方程应该是波动方程，方程决定着电子的波动属性。1926年薛定谔连续发表了4篇关于量子力学的论文，标志着波动力学的建立。然而薛定谔并不能指出波动方程的具体含义，而是由玻恩指出薛定谔的波函数是一种概率的振幅，它的模的平方对应于侧到的电子的概率的分布。二战是纳粹迫害犹太人，薛定谔向美国递交移民申请却没通过，作为一个诺贝尔奖得主却被美国拒之门外，大家一定感动很奇怪。这是因为薛定谔道德上有问题，他有不少情妇，还有好几个私生子。

      第一个提出完整的量子力学理论的，是德国物理学家海森堡。海森堡从粒子的角度出发，在玻恩和约尔当的帮助下，海森堡矩阵力学的相关理论。

        虽然海森堡的矩阵力学和薛定谔的波动力学出发点不同，从不同的思想发展而来，但它们解决同一问题是得到的结果确实一样的。两种体系的等价性的。

        由于海森堡和薛定谔在量子力学建立开创性的工作，他们分别获得了1932年、1933年的诺贝尔物理学奖。

        1928年狄拉克提出相对量子力学，使量子力学和相对论结合起来。狄拉克是个沉默寡言，喜好孤独，淡泊名利的人。有一次狄拉克在某大学演讲，讲完后一个观众起来说：“狄拉克教授，我不明白你那个公式是如何推导出来的。”狄拉克看着他久久地不说话，主持人不得不提醒他，他还没有回答问题。“回答什么问题？”狄拉克奇怪地说，“他刚刚说的是一个陈述句，不是一个疑问句。”

        1925年，泡利提出不相容原理。

        1927年，海森堡提出不确定性原理。量子力学到此可以说是基本的框架已经建立。

        在量子力学诞生之初著名的物理学家波尔兹曼就因为不能就是经典物理学的局限性，在1906年选择了自杀。1934年，荷兰物理学家埃伦菲斯特因感觉在量子力学里力不从心而结束了自己的生命。

        量子力学的创始人爱因斯坦，德布罗意，薛定谔因不能接受量子力学太多的概率成分和不确定因素，而站到了量子力学的对立面。于是形成了以爱因斯坦为首反对派和以波尔为首的拥护派两大阵营。他们开始了长久的论证。1935年，薛定谔提出了著名的薛定谔猫，爱因斯坦提出EPR佯谬。