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Quantum Entanglement and the Great Bohr-Einstein Debate | Space Time | PBS Digital Studios

Quantum Entanglement and the Great Bohr-Einstein Debate | Space Time | PBS Digital Studios
神奇的量子世界背后 是否隐藏着真实的物理? 亦或真实只是观察者眼中的幻象? 量子纠缠这种奇怪现象 能为解决这一问题提供意想不到的线索 婴儿们绝非是数学高手 但他们可能出乎意料地 了解量子力学 至少是在某些特定方面 扮鬼脸(原文为peekaboo)对婴儿们来说非常好玩 因为他们不具备客体永久性 (客体永久性指儿童理解了物体是独立存在的实体)
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如果你用手遮住脸 婴儿并不会认为你仍然存在 把手从脸上移开,就好像你 凭空出现一样 自然这对婴儿来说非常好玩 随着小孩子们逐渐认识到 事物不会无缘无故地凭空出现 他们很快就会度过这一阶段 当他们进入大学学习物理时 客体永久性已经根深蒂固 所以我们也不会 在基础物理中专门教授它 然而宇宙在没有观测者时 依然客观存在 是所有经典物理学 的最基本假设
诚然科学中我们理所当然地 认为宇宙是真实的 不管我们有没有在观察它 这种认为宇宙独立存在于 观察者的主观意识之外的想法 在物理学中被称为唯实论 但是量子力学的奇特 让科学家不禁质疑 我们是否需要屏弃这一基本前提 这就是在量子力学的发展进程中 最激烈的辩论的由来 一方面,尼尔斯·玻尔 (丹麦物理学家,哥本哈根学派的创始人)
认为不加观测而将宇宙定为真实 是没有意义的 在观测的间隙 量子系统确实以所有可能状态 的集合的形式存在 我们将此称为状态叠加 在观察的间隙,表达 叠加状态的波函数是对“真实”的完整 描述 我们所熟知的明确的物质性宇宙 只有在测量的时候才有意义 这种“扮鬼脸”的宇宙正是哥本哈根解释 的核心 另一方面,阿尔伯特·爱因斯坦
坚持认为“真实”是客观的,即”真实” 是独立于观察之外的 他认为波函数以及在此之上的 量子力学是不完整的 必须有一种我们称为隐变量的参数 来反映更加切实的根本的“真实” 为了揭示波尔理论的缺陷 阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森 (三人共同提出EPR悖论) 设想出一个量子场景以阐释 摒弃“真实性”这一假设就必须 同时摒弃几乎同样经典的
另一概念----定域性 定域性所阐述的是宇宙中的任何一点 都只能影响紧邻的周围环境 这对爱因斯坦的相对论至关重要 相对论告诉我们,原因和结果的链条 不成能以高于光速的速度传播 爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论,简称EPR悖论 引入了量子力学中最神秘的概念 即量子纠缠 让我来解释一下 两个粒子短暂地相互作用 它们的相互影响会使他们的性质 以某种方式联系在一起
为了保存其量子不确定性 我们不会去测量它们 量子力学要求我们用单一的 统合波函数来描述这个粒子对 并包含每个单一粒子的所有可能状态 我们将这种粒子对成为一对纠缠粒子 根据哥本哈根解释 测量任意一个粒子都会使 整个纠缠态波函数坍塌 进而对另一个粒子的测量结果 产生影响 这种效应理论上可以 在任何距离上瞬时传输,甚至可能传输到过去
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因此违背了定域性,甚至是因果关系 爱因斯坦等人认为这是愚蠢的 他们认为宇宙中的任何一点 都应该是真实的和物理的 并由可知的量,即定域隐变量所定义 而这些量的相互作用不会超过光速 玻尔和爱因斯坦间的争论 在当时听起来更有点哲学意味 但在1964年,爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔 提出了一项实验来解决这一争论 该实验基于一对纠缠的电子和正电子
当二者同时由一个光子生成时 这两个粒子的自旋方向相对于另一个 总是相反 但是,除非进行测量,我们无法知道 任何一个粒子的自旋 我们只知道它们是相反的 所以它们的波函数因此是纠缠的 测量一个粒子的自旋 可以告诉我们另一个粒子的自旋 不论它们相距多远 但在量子力学中,测量本身实际上会 影响你在测量的量 以量子自旋为例,测量本身的影响 极其怪异
我们根据旋转轴来定义自旋方向 这一旋转轴可以指向任何方向 但是为了测量自旋方向 我们需要选择一个测量轴作为仪器的基准 我们发现实测的量子自旋总是 与我们选择的测量轴是平行的 如果我们在竖直方向上测量 那自旋方向将是向上或者向下 如果我们在水平方向上测量,则自旋向左或向右 测量本身会迫使被测量粒子对齐 但这如何影响其纠缠态伙伴的自旋?
这一问题的答案可以解决波尔--爱因斯坦争论 让我来解释一下 情景一,爱因斯坦是正确的 想象一下,任一粒子对所有可能的 自旋测量的反应都取决 于其诞生时它周围的 隐变量的影响 我们对其中一个粒子做什么都不能 影响另一个粒子 当我们测量两个粒子的自旋时 二者的结果会有相关性 因为他们曾经是纠缠的 但其结果与我们选择的测量轴方向 不会有任何关系
情景二,波尔是正确的 如果在诞生和测量的时间点之间 电子和正电子只以包括所有状态的 波函数形式存在 那么,对一个粒子的测量 应该会导致整个波函数坍塌到 确切的数值上 两个粒子都应该表现出相反的自旋 并与仅针对第一个粒子选取的测量轴平行 这就会导致我们为一个粒子选择的 测量轴与另一个粒子的 实测自旋方向产生关联 这就是让爱因斯坦头疼的
“鬼魅似的远距作用” 所以约翰·斯图尔特·贝尔筛选出了 一系列可观测的结果,即所谓贝尔不等式 以期望证明爱因斯坦是正确的 或者说量子力学是需要定域隐变量的 但如果一个纠缠实验 违背了贝尔不等式,那定域唯实论 也将被违反 顺便一提,Veritasium有一个视频 对这个实验进行了详细描述 我推荐看看 这个实验很复杂,因为纠缠量子态 很难产生,更难维持
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任何相互作用都将摧毁纠缠态 但在80年代早期法国物理学家阿兰·阿斯佩 成功了 他没有使用自旋纠缠的电子和正电子对 而是使用了偏振 相互纠缠的光子对 偏振是指 光子的电磁场的指向 其原理是一样的 阿斯佩发现针对一个光子 所选的偏振测量轴和对应纠缠光子 的实测偏振方向 是关联的 贝尔不等式被违背了 这个实验甚至在设计上 要求光子对光子的影响只可能以 超光速传播
在这之后,众多的实验在不断增大的 尺度上重复出了这一结果 我们已经在数公里的尺度上 观察到了这种瞬时影响 我们以前谈到过的延迟量子选择擦除器 则是这种神奇现象的又一例证 目前,我们已经充分证实 贝尔不等式被违背了,也就是说 波函数不可能有定域隐变量 所以这是否证实了哥本哈根解释 并否定了定域性和唯实性? 我们是否生活在一个“扮鬼脸”宇宙中
只要我们不看她,她就会消失 并成为抽象的量子态? 婴儿们是不是比爱因斯坦更懂 量子力学? 先等一下 这些纠缠实验的结果似乎 违背了定域唯实性 但这也可能是单单违背定域性或唯实性其中之一 事实上,贝尔博士的观点是 对于他的不等式的违反只说明 定域性不成立 唯实性是可以再抢救一下的 非定域性要求纠缠粒子 瞬时互相影响 这在爱因斯坦相对论的
支持者听来就是亵渎 然而,非定域性和相对论 是可以完美结合的 相对论要求保持因果关系 所以信息不能超光速传播 但这些纠缠实验中没有任何一个 真正允许信息在粒子间传输 只有在测量被实施和比较后 我们才能知道 纠缠粒子的互相影响 就如同延迟选择量子擦除器一样 宇宙似乎精细地避免了 信息传播超光速的悖论 或者是时间倒流 哥本哈根解释仍然
符合所有量子观测结果 尼尔斯·玻尔的“扮鬼脸”宇宙可能正是我们生存的宇宙 然而,只要抛弃定域性 唯实性和隐变量的解释仍然合理 比如说,纠缠态粒子在空间上可能是由 爱因斯坦-罗森桥----即虫洞----所连接 这就使远距离的 瞬时接触成为可能 此外,德布罗意-玻姆理论 建立在唯实的和非定域的隐变量上 我们甚至可以不用牺牲 唯实性和定域性 这就是多世界解释
这些我们以后会在

Space

Time

上继续讨论 临时通知----明晚 22号周四,将在纽约的YouTube

Space

举办PBS Nerd Night 我自己和其它几位PBS

Digital

主播 将讨论一些科学宅内容 链接在视频下方 上周我们讨论了自我复制的宇宙飞船 以及为什么它们从未找到地球 是件怪事 评论区的讨论非常活跃 让我们一起看一看 Daniel Oberley等人指出 冯·诺伊曼探测器(即指自我复制探测器)可能
存在于太阳系但是躲起来了 我们能看到一个不想被 别人看到的探测器吗? 从统计上讲 冯·诺伊曼探测器要是存在 就会有很多个 这种情况下,我们很难认为所有探测器 都很拘谨 注意,这些探测器可能只是由 领先于我们几个世纪的文明制造的 几百年还不至于让人类文明 突飞猛进 但我们必然会取得一些 不可思议的技术进步 不能因为一个文明能达到星际水平
就认为其文化上也高度先进 更不能认为所有的星际文明都 文化先进 所以就算有些隐形探测器被 敌意的文明藏在月亮的背面 也应该有些探测器会大摇大摆 走过我们的太阳系 毫不担心被看见 Strofi Kornego等人想问生命 是不是就是最终级的冯·诺伊曼机器 怎么说呢 也是有道理的 我们差不多也可以人工合成生命了 军用化的方向上的 探索可能是最合理的 制造自我复制机器的动力
之后又有人问如果地球是被种下生命 那是不是只被种下过一次? 同样道理,如果一个冯·诺伊曼机器能进入太阳系 那成百上千个也可以来 地球上所有生命都明显 演化自同一种自我复制分子 也就是说,其它入侵者可能 发现星球被其它捷足先登者统治后 就没有立足之地了 如果这种人工盆栽种子很常见 我们应该很容易在太空 和行星表面找到它们 这很难做到
但可能还是有办法的 Borne Stellar问,你想要收割者吗? (应该指游戏“质量效应”中高等有机机械太空飞船种族) 收割者不就是这样的吗? 为什么非要是收割者呢? 汽车人不行吗?