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弗兰克·维尔切克:量子纠缠再神秘,也该是科学的观念
关键字: 量子纠缠朱清时量子力学(这篇文章由2004年诺贝尔物理奖获得者Frank Wilczek教授撰写,原文链接)
量子纠缠通常被认为是科学中最棘手的概念之一,但其核心问题很简单,一旦理解了它,将会使我们对量子理论中“多世界”概念理解得更加深刻和丰富。
富有魅力的神秘光环笼罩在量子纠缠这个概念上,也以某种方式笼罩着与之相关的,认为量子理论需要“多世界”的观念。但归根到底这些都是、也应该是科学的观念,有实实在在的含义和具体的意义。在这篇文章里,我将会用我所知道的最简单与清晰的方式来解释纠缠与多世界的概念。
I.
纠缠通常被认为是一种独特的量子力学的现象,但它并不是。实际上,先考虑一个简单的非量子(或者“经典”)版本的纠缠是有启发性的,虽然某种程度上也是反常规的。这使我们无需顾及量子理论的古怪之处,就能体会到纠缠自身的精妙。
当我们只了解两个系统部分的状态信息时,纠缠就出现了。比如说,这两个系统可以是两个物体,我们称之为”c-ons”。这里”c”意味着“经典的”。但如果你喜欢有一个明确而让人愉悦的实物在脑海中,也可以把c-ons看作是蛋糕(cakes)。
我们的c-ons带有两种形状,正方形或者圆形,我们把这作为它们可能的状态。于是两个c-ons的四种可能的联合状态为(正方形,正方形),(正方形,圆形),(圆形,正方形),(圆形,圆形)。下面两个表格展示了系统处于四种状态概率分布的两个例子。
如果对其中一个系统状态的了解不会对另外一个系统状态带来任何有用的信息。我们就说c-ons是各自独立的。我们的第一个表格就拥有这个特性。如果第一个c-ons(或者蛋糕)是正方形的,我们对第二个的形状仍一无所知。类似地,第二个的形状也无法泄露出任何有助于了解第一个的形状的信息。
另外一方面,当一个的信息增进了我们对另外一个的了解时,我们就说我们的两个c-ons是相互纠缠的。我们的第二个表格就展示了最大的纠缠。在此情况下,当第一个c-ons是圆形的,我们知道第二个也是圆形的。而当第一个c-ons是方形的,第二个也是。知道一个的形状,我们就能肯定地推测另外一个的形状。
量子版本的纠缠本质上是同样的现象——即为缺乏独立性。在量子理论中,状态是由名为波函数的数学概念来描述的。为了把波函数和物理几率联系起来而定的规则引入了非常有趣的难题,我们随后会讨论它。但我们已经从经典概率中所了解的,有关纠缠知识(entangled knowledge)的核心概念将会延续下去。
当然,蛋糕并不被当做是量子系统,但是量子系统之间的纠缠会自然地出现——比方说在两个粒子碰撞后的一段时间里。实际上,不纠缠的(相互独立的)状态是很少的例外,因为一旦系统互相作用,相互作用就会在它们之间产生关联。
以分子为例,它们由名为电子与原子核的子系统组成。分子最容易出现的最低能级,是一个它的电子与原子核高度纠缠的状态,因为这些组成的粒子不再是互相独立的。当原子核移动时,电子的也随之移动。
回到我们的例子:如果我们用波函数Φ■, Φ● 描述系统1的方形与圆形状态,用波函数ψ■, ψ● 描述第2个系统的方形与圆形状态,那么在我们的这个例子中,整体状态将为
独立的:Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●
纠缠的:Φ■ ψ■ + Φ● ψ●
我们也可以照如下形式写出相互独立的波函数
(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)
注意,在这个表达方式中圆括号清晰地把系统1和2分为了两个独立的单元。
有很多制造纠缠态办法。一种方法是对你的(复合)系统做测量,获得部分信息。比方说,我们可以知道两个系统密有同样的形状,而不用知道他们的形状到底是什么。这个观念在下文中将会更为重要。
量子纠缠更为独特的推论,比如说Einstein-Podolsky-Rosen(EPR) 和 Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 效应,随着它与量子理论的另外一个叫做“互补性”的概念互动而产生。为了给讨论EPR和GHZ铺平道路,让我现在介绍互补性。
此前,我们想象我们的c-cons可以表现出两种形状(方与圆)。现在我们设想它能呈现出两种颜色——红和蓝。如果我们在描述经典系统,比如蛋糕的话,附加的颜色属性意味着我们的c-ons有四种可能的状态:红色方形,红色圆形,蓝色方形或者蓝色圆形。
而对一个量子蛋糕——也许是一个quake,或者(更加数字化)一个q-on——情形就完全不同。一个q-on在不同情形下可以展示出不同的形状或不同的颜色的现实,并不必定意味着它能同时拥有颜色与形状这两种属性。实际上,虽然爱因斯坦坚持认为这个“常识”推断应该包含在任何可接受的物理实在观念中,但正如我们将会看到的那样,这个推断却与实验现实相违背。
我们可以测量我们q-on的形状,但是在此过程中我们丧失了所有关于它颜色的信息。我们也可以测量我们q-on的颜色,但是在此过程中我们失去了所有关于它形状的信息。按照量子理论,我们无法同时测量它的颜色与形状。人们所理解的物理实在无法抓住它所有的方面;人们必须考虑许多不同的,相互排斥的看法,每一种看法都提供鲜活但是部分的洞见。正如尼尔斯. 波尔所设想的那样,这就是互补性的核心。
因此,量子理论要求我们对物理实在赋予独立的属性时要小心谨慎。为了避免冲突,我们必须承认
1. 一个未被测量的属性没有必要存在。
2. 测量必须是一个主动的、改变被测系统的过程。
- 原标题:Wilczek: 诺奖理论物理学家讲述的通俗量子纠缠 本文仅代表作者个人观点。
- 责任编辑:孙武
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