让爱因斯坦发怒的幽灵

​ 1935 年,薛老师很忙。

​ 除了 N 多前女友和养猫以外,薛老师发现了量子的另一个诡异之处,而当时几乎没有人注意到这个问题。

​ 为了研究微观世界,看看原子核这个大西瓜肚子里都有些什么籽儿,科学家祭出了最强大的武器:粒子对撞机。

​ 欧核中心(CERN)的加速器就是干这个的:

​ 最常见的现象是:母粒子被撞击后,分裂成两个更小的粒子 A 和 B。

​ 因为能量守恒原理,子粒子能量相同,方向相反。比如说,因为母粒子静止不动,所以分裂后的子粒子 A 向左边飞,B 一定往右边飞,这样才能左右抵消。同理,A 的自旋(角动量)向上,B 的自旋一定向下。

​ 至于具体是向上还是向下,这是个随机事件,必须观测后才能知道。

​ 那么问题来了:根据量子理论,在不被观测的情况下,粒子处于多种可能性的叠加态。

​ 举个例子。

​ 就像箱子里那只不死不活的薛定谔的猫一样:A 和 B 这对龙凤胎粒子,自打出娘胎起,他们的性别就没确定,直到有人来看了一眼,这才瞬间分出男女!

​ 然而和薛猫不同的是,箱子里的猫只有一只,孪生粒子却有两个。而且,这两个粒子即使相隔很远很远,叠加态也能保持不变。如同在千里之外,瞬间产生联系……

​ 是时候@爱因斯坦了。


来自幽灵的威胁

​ 大家都知道爱因斯坦创立了相对论。但很少有人知道,大神在 35 岁就已经功成名就(完成狭义+广义相对论),而在之后 40 年的悠长岁月里,他其实都在纠结一件事:量子力学。

​ 曾经,他也是一个集美貌与才华于一身的男子:

​ 研究量子力学 30 年之后:

​ 能让爱因斯坦这种大神级人物「不明白」的,不是深奥的理论和复杂的公式,而是宇宙的意义。

​ 爱因斯坦深信,宇宙在本质上是高度和谐的,这种和谐是可以通过数学之美体现出来的。

​ 所以,一个理论如果不美,倒不是说一定是错的,但它肯定不够本质。

​ 在更高的层面上,和谐,比对错更重要。而量子力学,在爱因斯坦看来,就是一种不和谐(不完备)的理论。

​ 比如,量子力学的核心思想是:

​ 微观世界的一切只能用概率统计来表达,而具体到单个的粒子,它的状态是不确定的叠加态。把这个粒子放大 N 亿倍,就成了薛定谔的猫。

​ 这是第一个让爱因斯坦不爽的地方:量子力学否认了物质的实在性。

​ 爱因斯坦认为,根本不存在薛定谔思想实验中那只不死不活的叠加态的猫。猫的死活在观测之前就是定数,只不过愚蠢的人类看不见箱子里发生的一切,只能推测出「50% 活 or 50% 死」的概率。

​ 你是不是突然有一种,和爱因斯坦英雄所见略同的感觉?

​ 打个不太恰当的比方(给量子打个恰当的比方真的好难!):

​ 比如,我在知乎的粉丝男女比例是 80:20。

​ 我相信,每个关注我的知友,一定都对自己的性别深信不疑。

​ 然而,那些发明量子力学的疯狂科学家们,他们竟然说:80:20 的比例,说明每位知友的性别是不确定的,见面时 80% 的可能性会变成男生,20% 的可能性变成女生!

​ 因为只有这样我才能解释,为什么线下活动时见面的都是男生,而索要福利的都是女生。至于女生为什么没来,可能是出于一些很简单的原因,比如当天身体不舒服。

​ 仅仅因为我们不知道背后的原因,就认为人的性别是可以按一定概率随机改变的,纯属不切实际的猜想。

​ 这个「背后隐藏的原因」,学名叫作 「隐变量」

​ 当时包括爱因斯坦在内的很多人都以为,一旦我们揪出了隐变量,量子力学那些混沌不清的阴暗角落,就会被照亮得一览无余。

​ 一个不掷骰子的上帝,一个确定无疑的世界,一个可以被人类的直觉完全理解的宇宙——这就是爱因斯坦的终极梦想。到那时,「薛定谔的猫」之类的奇幻故事,只能给孙子当哈利波特讲了。

​ 结果,猫的故事还没讲完,薛老师又想了一出「孪生粒子叠加态」,第二次触怒了爱因斯坦大神。

​ 因为这一次,量子力学要挑战的是相对论。

​ 研究微观小世界的量子力学,怎么会和研究宏观大宇宙的相对论结下梁子呢?

​ 这又是薛老师「一不小心」捅下的篓子。

​ 在薛定谔「孪生粒子」的思想实验中,两个相距万里的粒子,观测出 A的状态,也就知道 B 的状态,因为 A 和 B 都是一个母粒子分裂而成的, B 的状态一定和 A 相反

​ 因为 A、B 两个粒子的 命运紧密相连 ,牵一发而动全身,所以薛老师给起了个性感的名字: 量子纠缠

​ 这就好比如:母亲把一双鞋分给兄弟俩,他们各带一只远走他乡。中国的哥哥打开盒子发现是左脚,就知道弟弟带到美国的另一只一定是右脚。

​ 看上去,这并没有什么稀奇。

​ 稀奇的是,根据量子力学的说法,弟弟那只鞋左还是右,不是他妈决定的,而是哥哥「打开盒子」的行为决定的。在哥哥看到左脚鞋的一瞬间,鞋里飞出一个神秘的信号,闪电般穿过千山万水,通知美国的另一只鞋变成右脚!

​ 这个速度能有多快?

​ 无限快。

​ 但是,上帝允许无限快的瞬时传送吗?

​ 在这个宇宙中,没有东西能超过真空光速。不要说超过光速,就是试图接近光速的行为,都会导致时空的畸变。

​ 宇宙的尺度是以「亿光年」为单位计的,在恢宏的空间中,银河系一边发生的任何事情,不可能立即对彼岸的世界造成影响。

​ 就算此时此刻太阳爆炸了,我们还能逍遥自在地活 8 分钟,因为 8 分钟后,光才来得及从太阳飞到地球。

​ 通过对粒子 A 的观测,居然瞬间让远方的粒子 B 的量子叠加态塌缩了——这被爱因斯坦斥为「幽灵般的超距作用」。

​ 在严谨的学术界,「幽灵」是一个让人联想起伪科学的词。不存在超光速,更不存在超距作用,因为这是相对论的大前提:局域性。如果量子纠缠允许超光速,那么,是量子力学错了,还是已经被无数次实验证实的相对论错了?

​ 在爱因斯坦看来,这压根不是个问题。

​ 一双鞋,俩兄弟当时分到的就是哥左弟右;两个粒子,在分裂的一瞬间 A、B 的状态就是确定的。尘埃落定之后,你爱怎么观察就怎么观察,为什么要信量子力学那一套「观察决定实验」的鬼话?

​ 只可惜,在量子面前,人类的直觉和常识又一次大错特错。


终极黑客:约翰·贝尔

​ 超距作用(量子)vs 局域性(爱因斯坦),人们曾经以为,这是个永远不会有答案的问题。

​ 因为如果做实验验证,这两者根本没法区分啊!

​ 比方说,先制备一对所谓的纠缠态粒子,然后一个运到北京,一个放在上海。我先测量到上海的 A 粒子自旋向上,然后打电话去问北京的同事:哥们,你那边测下 B 是什么态?

​ 100% 是自旋向下!爱因斯坦和量子理论都预言,B 的自旋一定和 A 相反。

​ 也就是说,仅凭测量是不可能区分两种说法谁对谁错的,这就好比两个人都赌同一个球队赢,如何分胜负呢?但是不测量,又怎么可能知道它在测量之前是什么?

​ 显然,这个问题无解。

​ 30 年过去,爱因斯坦、玻尔、薛定谔等一代宗师已经成为逝去的传奇,然而还是没有人认真思考过这个问题。

​ 也许这就是为什么,做出这个近代物理学最重要的大发现的人,不是某位著名的教授,而是一位当时还默默无闻的工程师,也难怪当他投稿之后,文章居然被杂志编辑「不小心」弄丢了,拖了一两年才发表。

​ 约翰·贝尔,36 岁提出「贝尔不等式」,欧核中心(CERN)加速器设计工程师,爱因斯坦的脑残粉,业余爱好是研究量子力学的基础理论。

​ 我一直觉得,贝尔不像个正统科学家,更像个「物理学黑客」。虽然和计算机黑客相比,他破解的是原子而非比特;但是,论及思维之独特、技巧之高超、发现漏洞之敏锐,则是有过之而无不及。

​ 众所周知,粒子 A 的自旋一定和 B 相反;但贝尔发现,所有人都忽略了一件事:自旋在三维空间是有 3 个分量的。

​ A 在 X 轴的自旋分量(Ax)如果向上,B 在 X 轴的自旋(Bx)一定向下,但是 B 在 Y 轴和 Z 轴上的自旋(By、Bz)呢?

​ 如果爱因斯坦的局域性理论是对的,By、Bz 应该和 Ax 一毛钱关系没有,但是用量子力学算出来的结果,却有着微妙的区别:在某些情况下,By、Bz 和 Ax 之间竟存在着微弱的关联!

​ 其他科学家们看到「贝尔不等式」先是嗤之以鼻,接着目瞪口呆,最后是深深的悔恨。这个深藏 30 年的宇宙级 bug,就这样被贝尔这位工程师挖了出来。

​ 贝尔不等式的诞生,宣告了量子局域性之争,从哲学思辨变为实验可证伪的科学理论。

​ 20 年后(1982),法国人阿兹派克特(Aspect)第一个成功验证了贝尔不等式,结论: 量子力学获胜,幽灵般的超距作用,是真的!

​ 万万没想到,实验结果揭晓之后,最高兴不起来的居然是贝尔本人。原来贝尔是爱因斯坦的忠实信徒,人家下班不约会而去搞不等式的目的,就是为了证明量子力学错了!

​ 之后,贝尔花了大半辈子的时间,试图找出实验的漏洞,直到去世之前还在思考如何修正局域性理论。

​ 当然,这一切并没有什么用。

​ 从阿兹派克特实验至今 30 多年,人们在光子、原子、离子、超导比特、固态量子比特等许多系统中都验证了贝尔不等式,所有的实验无一例外,全部支持量子理论。

​ 如今,除了层出不穷的民科,已经没有人怀疑量子世界的奇异和真实。但很多人还是忍不住会想,贝尔不等式什么的还是太抽象了,能不能亲眼见证量子纠缠的魔力呢?


幽灵成像实验

​ 比起喜欢用数学公式讲道理的贝尔,搞量子光学的史砚华可就实在多了。

​ 我觉得,史教授 2008 年发明的「幽灵成像」,应该是证明量子纠缠绝非幻想的最直观的实验。

​ 请认真看下图:

​ 幽灵成像的原理通俗易懂:先把红光子和蓝光子「纠缠」到一起,然后两者分开各走各路。红光穿过狭缝打出一定形状的图案,蓝光不穿缝正常走。

​ 实验结果绝对震撼:明明没有穿过狭缝的蓝光,竟然也投射出了与红光相同形状的图像!

​ 如果这个实验能够早 70 年做出来,我真想看看爱因斯坦的表情。

​ 这次,你总不能说:光子在纠缠之前就已经是那个形状了吧!

​ 穿缝还是不穿缝,显然是在光子出发后才决定的。发生在红光子身上的所有事,蓝光子也会分毫不差地经历一遍。这样看来,仅仅把量子纠缠比作龙凤胎还远远不够,他们出生时珠联璧合,长大成人之后仍然是生死与共!而且,通过改变红光那边狭缝的形状,想让蓝光打出什么样的图案都可以。

​ 这就意味着,我们可以远程发送图像甚至视频,而无论距离多远、哪怕从宇宙的另一端传过来都是瞬时传输的,延迟时间永远为 0。

​ 然而,这岂不是违反相对论(任何信息和物质不能超过光速)的公理了吗?

​ 并没有!

​ 虽然信息是瞬时传送过来了,但要把其中的乱码剔除,提取出真正的内容,还是必须把图像用不超光速的传统方式再发一遍。让爱因斯坦操碎了心的「超光速」问题,原来只是杞人忧天!

​ 大自然就是如此微妙。

​ 宇宙的规则也许看似奇怪,内在却有着惊人的自洽性。

​ 我们只能说相对论和量子力学之间存在着理论上的矛盾,但从来没发现物理规律本身有自相矛盾的地方。

​ 如果把宇宙看作一个产品,最令人细思恐极的是:无论狡猾的人类捣鼓出多么刁钻古怪的实验,这个同时在线用户数高达 10^80(1 后面跟 80 个 0)的产品却从来不会被搞出 bug。

​ 如果宇宙真有一个产品经理的话,请收下我卑微的膝盖,顺便想问一个问题是:为什么您的宇宙中会有量子纠缠呢?


量子纠缠背后的秘密

​ 100 年前,量子力学的祖师爷玻尔说:如果谁没有被量子力学惊到,那他肯定不懂量子力学。

​ 爱因斯坦: 我思考量子力学的时间百倍于广义相对论,但依然不明白。

​ 造出第一颗原子弹的费曼更直接: 没有人懂量子力学!

​ 学了 100 多年的量子力学,今天,我们懂了吗?

​ 墨子号首席科学家、中国量子通信第一人潘建伟说:「如果能搞清楚为什么有量子纠缠,我可以现在去死」,接着潘老师又说:「但是现在还没搞清楚,所以我想活得长一点……」

​ 考虑到潘院士今年才 46 岁,这句话似乎暗示着,我们在 50 年后都不一定能搞懂量子了。

​ 这些牛人说的「不懂」,可不是小学生学不会四则运算的那种「不懂」。我们已经搞清了微观世界的所有基本规则,建立了强大的数学模型,算出来的理论预测和实验结果分毫不差,但我们还只是一个拿到使用说明书的孩子,对于其意义和目的一无所知,莫名地好委屈。

​ 然而现在,越来越多的线索显示,量子纠缠的背后,可能隐藏着一个巨大的秘密。

​ 2013 年, Maldancena 和 Susskind 发现,量子纠缠和虫洞(虫洞即爱因斯坦·罗森桥)在数学模型上非常相似。他们猜想,量子纠缠也许就是一个微型虫洞。

​ 量子纠缠中最神秘的现象「超距作用」其实并没有超越光速,而是像虫洞那样穿越了时空。这就是为什么,孪生粒子能够异地千里,同呼吸、共命运的真正原因。

​ 请认真看下图:

​ 而在 2010 年 Van Raamsdonk 的独立研究中,发现了更为惊人的线索。

​ 他建立了一个类似真实宇宙的三维宇宙模型,一旦在模型中去掉量子纠缠,时间和空间就会被打乱成碎片。

​ 正是无处不在的量子纠缠,像建筑物的钢筋结构件一样,把本应支离破碎的时空编织成了一个整体。

​ 在有进一步的实验证据之前,我们无法评价这些猜想有多靠谱。但是令理论物理学家们心跳加速的是,各条独立的线索似乎指向着同一个宝藏。找到它,发现量子纠缠真正的秘密,就有可能理解在开天辟地、宇宙洪荒的大爆炸时刻,宇宙是怎样被建造出来的。

​ 为了传说中的 One Piece ,越来越多身怀绝技的人踏上了量子时代的大航海之路。

​ 有人说:哲学家们总是用各种方式解释世界,但问题在于改变世界。其实,科学和文明的高度,取决于我们对于世界理解的深度。

​ 通过认识和理解世界,猿人把手中的石块换成了自然规律,拥有了改天换日的力量。当一群不食人间烟火的理工男在实验室热烈地争论原子模型时,谁能想到,30 年后广岛在火海中的哭喊?

​ 自从 1900 年普朗克发明「Quantum」这个单词至今,量子终于从哲学辩论会的题材,变成了魔法般的黑科技。

​ 基于量子纠缠,可以造出比现在快 1 亿倍的量子计算机,而超距作用和贝尔不等式,则把量子纠缠变成了加密通信领域的终极武器。

​ 改变世界的时刻真的到了!


下一章:终极密码


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