量子纠缠,是量子热学里最奇特的东西,由于它能形成“鬼魅般的超距作用”。在未来世界里,人类其实能通过量子纠缠来实现“瞬间联通”,将人体或物体从一处传送到另一处。
爱因斯坦生前常说,量子热学并非有误,它只是到目前为止还不够完备,还没有找出这些可以确切预测出事物的关键要素。
虽然爱因斯坦这么评价,波尔依然不为所动。虽然爱因斯坦说“上帝不掷色子”,波尔则答复道:“别再告诉我上帝该如何做了。”但在1935年,爱因斯坦觉得他总算找到了量子热学的致命弱点。这风波怪异至极,它违背了宇宙中所有的逻辑,爱因斯坦觉得这是就能证明量子热学不完备的关键——这就是“量子纠缠”。
波尔与爱氏之争
史上最怪、最不合理、最疯狂、最愚蠢的量子热学预测便是“量子纠缠”。量子纠缠是一种理论性的预测,它是从量子热学的方程式中得来的。假如两个粒子的距离够近,它们可以弄成纠缠状态而使个别性质联接。超乎预料的是,量子热学表明,即使你将这两个粒子分开,让它们以反方向运动,它们仍然未能甩掉纠缠态。
要了解量子纠缠有多么古怪,我们可以拿电子的“自旋”作事例。电子的载流子与陀螺不同,其状态总是游移不定的,直至你观测它的那一刻能够决定。当你观测它时,都会发觉它不是顺秒针转就是逆秒针转。假定有两个相互纠缠的电子对,当其中一个顺秒针转时,另一个就逆秒针转,反之亦然。不过奇怪之处是它们并没有真正联接在一起。
对量子理论深信不疑的波尔和他的朋友们相信,量子纠缠可以预测相隔甚远的电子对的状态量子物理纠缠什么意思,即使它们一个在月球,一个在地球,没有传输线相连,假如你在某个时刻观测到其中一个电子在顺秒针旋转,这么另一个在同一时刻必将是在逆秒针旋转。换句话说,假如你对其中一个粒子进行观测,这么你不止是影响了它,你的观测也同时影响了它所纠缠的伙伴,但是这与两个粒子间的距离无关。两个粒子的这些奇特的远距离联接,爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。
量子纠缠的神奇之处就在于,当你对其中一个粒子检测时,也会影响到另一个粒子的状态,虽然两者之间没有斥力、滑轮或电话线之类的东西相连,没有任何方法可以彼此沟通。这真是奇特至极啊!
爱因斯坦难以相信纠缠会这么运作,于是他劝说自己:出错的是物理,而不是现实。他赞成纠缠态的粒子是存在的,但他觉得有更简单的方法可以解释为何它们彼此联接,而毋须涉及神秘的超距作用。他深信一对纠缠态的粒子更像是一两手套。想像把一两手套分开放放在两只袋子中,然后一只袋子交给你保管,另一只袋子则放置于北极洲,在你开箱曾经就晓得袋子里放着右手或左手的手套。之后你打开袋子,假如看到右手的手套,在这顿时,即使没人看过北极洲的袋子,你也就能晓得哪里装的是左手的手套。
这一点也不神秘,你打开袋子,其实不会影响到另一只袋子里的手套。你身边的这只袋子装着右手的手套,而北极洲的那只袋子则装着手指的手套,这是在当年分装时就已决定了的。爱因斯坦相信,所谓的纠缠态只不过这么而已,电子的一切状态在它们彼此分离的时侯就早已决定了。
波尔和爱氏,究竟谁对谁错呢?
波尔所拥护的量子热学方程式表明,互相纠缠的粒子虽然相距很远,也可以相互联接;而爱因斯坦则不相信有鬼魅般的联接,而觉得在你观察曾经,一切就早已决定了。爱因斯坦称,粒子在被观测前就早已决定了载流子状态。你对爱因斯坦说“那你如何晓得呢”,他会说“你检测它,才会发现那绝对的载流子态”。波尔则会说“但是那载流子的状态是因为你的观测所引起的”。当时,没人知道如何去解决这个问题,于是这个问题被觉得是哲学问题,而不是科学问题。1955年,爱因斯坦去世前仍然相信量子热学是个不完备的理论。
克劳泽的验证
1967年,在德国波兰学院,爱因斯坦挑战量子热学的任务由一位年青人承接出来了。当时,约翰·克劳泽(John)正在找寻天文数学学博士论文的课题。在读了一篇鲜为人知、由美国化学学家约翰·贝尔(JohnBell)所写的论文后,克劳泽觉得自己找到了验证谁对谁错的实验方式。在这篇论文中,贝尔早已发觉怎么验证纠缠态的粒子到底是用鬼魅般的作用来沟通,甚或是根本就没有哪些鬼魅,粒子的状态如同是成双的手套那样早就早已决定了的。贝尔甚至巧用物理运算,证明了假如这鬼魅般的作用不创立,这么量子热学就正如爱因斯坦所想的那样,是错的。贝尔是个理论化学学家,他的论文表明只要你才能建造出一种仪器,才能大量制造并比较纠缠态的粒子,这个问题就可以被解决。
根据贝尔在论文中的想像,克劳泽设计出了才能消弭这场争辩的仪器。“那时侯我还只是个笨手笨脚的研究生,便很辛运地有了一个机会来发觉才能惊艳全世界的结果。”克劳泽的仪器可以检测数以千计的纠缠粒子,之后比较它们的载流子状态,但随着结果渐渐出炉,克劳泽倍感震惊并因此不悦。“我不断地问自己:我那里做错了吗?”克劳泽反复重复了自己的实验。不久后德国化学学家阿兰·阿斯佩(Alain)进行了更明晰的测试,得到了愈加确定的结果,清除了一切疑惑。
克劳泽与阿斯佩的结果相当惊人,她们证明了量子热学的多项式是正确的,纠缠是真实的,粒子可以跨越空间联接——对其一进行检测,确实可以顿时影响到它远方的同伴,如同跨越了空间限制。爱因斯坦生前觉得不可能的“鬼魅般的超距作用”,确实存在。“我再度为自己没有推翻量子力学而倍感难受,由于无论是在当时还是现今,要我理解量子热学都是很困难的。”克劳泽说。
顿时联通技术
量子纠缠,是量子热学里最奇特的东西。虽然我们没法领会它,也不要问这是为何,我们只能说,世界其实就是这么运作的。如果我们能否接受世界本来就是这么奇特的事实,这么我们能够借助这些“鬼魅般的超距作用”来做些有用的事情呢?好吧,梦想之一就是实现“瞬间联通”,将人体或物体从一处传送到另一处,而不须要经过中间的空间。
日本悬疑剧《星际迷航》总是在用“瞬间联通”方法,把人从一处送到另一处。不过这是悬疑,量子纠缠能使梦想成真吗?事实上,顿时联通的实验早就在美洲加那利群岛的海对岸进行了。“我们之所以选在加那利群岛做实验,是由于这儿有两座天文台,这样的实验环境很棒。”维也纳大学的实验化学学家安东·蔡林格(Anton)说。蔡林格的传送对象不是他自己或其他人,他企图借助量子纠缠来传送单一微小的粒子,在此例中是光的粒子,即光子。
他先在拉帕尔玛的实验室中制造出一对纠缠的光子,将其二留在拉帕尔玛,另一个则用激光发送到140公里外的特内里费岛上。蔡林格再追加第三颗要被传送的光子,让它与留在拉帕尔玛的纠缠光子相互作用。研究团队再将这两个光子的量子状态做出比较,神奇的事就发生了。因为鬼魅般的超距作用,团队能否借助这项比较来将远方岛上的纠缠态光子转变为与第三颗光子相同的东西,如同第三颗光子顿时赶超了海洋一样。
“这如同是取出了先前光子的信息,之后在远方重建它。”使用这些技术,蔡林格早已成功传送了几十个光子。
假如将这些技术继续发展下去会怎样呢?既然我们的身体也是由粒子所组成的,这项技术未来能够拿来传送人体呢?如果你人在广州,却想去伦敦吃顿晚餐,这么理论上,量子纠缠在未来可以使之实现。你只须要在北京把自己弄成一群粒子,并使它们与伦敦的另一群粒子纠缠。
想像一下遥远未来的某三天,在北京,你走入一个透明的圆筒状扫描舱中,装置便开始打碎你的身体,将其分解成为基本粒子,并扫描每一个粒子;与此同时,坐落伦敦的一个扫描舱也对其中的粒子进行扫描,列举北京与伦敦两组粒子的量子状态对照表,接着加入了纠缠效应。此后,操作员将量子状态对照表传送到伦敦,在那儿用这张表来重建你身体粒子的准确量子状态。
因为鬼魅般的超距作用量子物理纠缠什么意思,另一个你就在伦敦成型了。这并非是你身体的粒子从北京联通到了伦敦,而是量子纠缠容许你的量子状态可以在广州被描画,于是你的复制品到了伦敦。在伦敦成型的这位的确是你,由于在北京检测所有粒子的状态时,就早已捣毁了原先的你。
就目前的技术而言,我们离人体“瞬间联通”还很遥远,但这样的展望依然会引起我们的深思。其实,坐落广州与坐落伦敦两处的你是毫无差别的,由于依据量子热学,让你成为你的不是数学粒子,而是那些化学粒子中所包含的信息,而构成你身体的几百万兆个粒子中的信息都可以被传送。不过你也许依然会问:伦敦这边的我真的是我吗?
蔡林格觉得:“这是一个深刻的哲学问题。抵达接收站的个体到底是不是原本的个体?我所说的‘本来’的个体,应当是富含起初个体的所有特点,倘若是这样的话,这么就可以算是‘本来’”。
不过,人的情感却常常是非理智的。克劳泽就曾说过:“我可不想踏入那机器里一步。”