為什麼宏觀世界沒有量子糾纏?或許也是有的,只不過坍塌了

天空之城 2022/10/22 檢舉 我要評論

我們經常說微觀粒子,導致很多人誤認為微觀粒子是一種實心的小球。

其實微觀粒子的本質更像是一種波。如果要徹底搞懂量子力學,首先就要默認所有的粒子都是波。這種波并非類似水波,聲波這樣的機械波。

微觀粒子都是以波的形式呈現的,從而彌漫整個宇宙空間,理論上所有波都可以彌漫到宇宙邊緣。雖然波的空間尺度是無限遠的,但是波的能量往往會聚集到某個固定的空間尺度上,從而形成波包。

波包越聚集,就越像粒子。這也是波粒二象性的體現。

事實上,測不準原理正是由波粒二象性造成的。

現在我們將微觀粒子想象成一個具有波動性的波包。這個波包越聚集,就越像粒子,越分散就越像波。波包有兩個顯著的物理量,一個是位置,一個是動量。

你可以將波包的位置理解成寬度,動量理解成能量。

如果我們要測量這個波包(粒子)的位置(寬度),那麼就需要用光子撞擊波包,通過光子探測到的信息就可以確定波包的位置。

但你會發現,這樣得到的波包位置(寬度)范圍比較廣,如果想要得到更加精確的位置,你就必須提高光子的能量去撞擊波包,導致波包吸收能量后,更加聚集,所以寬度就越窄,更像是一個粒子,位置也就測得越精確。

但這時候,位置是測量精確了,但是波包因為吸收了光子的能量,導致動量增加,所以波包的動量就和起始的動量相差甚遠。所以你測量到的動量信息就越不精確。

如果你要精確測量波包的動量,就得降低光子的能量,這樣一來,波包的寬度就比較大了,所以位置就測量得越不準確。

對于這個現象,海森堡就認為,粒子(波包)的位置和動量信息不能同時精確測量,位置測得越精確,動量就越不精確,反之亦然!并且認為這主要是由于測量儀器發射的粒子造成的。

但是當代的量子理論認為:海森堡的這種解釋并不是十分正確,測量儀器固然會對被測量對象造成干擾,但是這不是主要原因。

主要原因是粒子的本質就是波包,測量波包的精確位置就相當測量 繩擺產生的波動位置,這是毫無意義的,因為波就不可能存在完美的位置,測量動量也是這個道理,粒子不存在完美的動量。

所以現代物理學認為,測不準原理的本質并不是實驗儀器造成的,而是微觀粒子的內稟屬性。

用「測不準原理」這一物理名詞會誤導大眾,讓人誤以為是人類科技手段有限造成的測不準。如今測不準原理早已被改成不確定性原理的叫法。

微觀粒子還有一個十分普遍的特性,那就是態疊加原理。這個原理的數學解釋十分晦澀,且枯燥。態疊加就是我們常說的量子疊加。

比如電子的自旋,即是上旋又同時是下旋。這種匪夷所思的現象也令薛定諤困惑,為了通俗地解釋量子疊加,所以就將其拓展到巨觀世界,也就是那只既死又活的貓。

其實你只要將微觀粒子想象成波,那就很容易理解量子疊加。

這條波彌漫整個宇宙空間,但并不是均勻分布的,波上有個波包,波包在哪,我們就說這個粒子在哪。

問題是,理論上這個波包可以出現在這條波上的任何位置上。而波又彌漫整個空間,所以我們才說粒子可以出現在空間上的任何一個位置。

測量之所以會導致量子疊加態消失,是因為測量儀器肯定需要發射某些粒子探測 被測量粒子(波),被測量粒子原先的疊加態就會因為這些粒子的干擾而消失。這就是測量坍塌效應。(理性討論延遲選擇量子擦除實驗)

只要我們不去測量這個波包(粒子),那麼波包(粒子)本身就和這條波是一個整體。所以這個波包(粒子)在空間的位置就是疊加在一起的,所以粒子即在這,又同時在那,可以同時處于多個位置。這就是疊加態的體現。

你要是從這種角度理解量子糾纏就十分容易。

兩個糾纏粒子其實是同一條波(復合系統),只不過測量行為會導致這條波坍塌出兩個波包(粒子)。

這兩個波包在沒有測量之前本來就是共同疊加態的波。

測量就會導致疊加態消失,變成兩個確定的波包(本征態),但是作為觀察者的我們來說,好像這兩個粒子(波包)可以無視空間,而同時作用。這就是量子糾纏的超光速現象。

其實本質來說,糾纏粒子之間本來就是同一個粒子。所以對一個粒子的測量,其實也就是對另一個粒子的測量,所以量子糾纏必然是同時發生的!

但量子糾纏這種現象并不存在什麼實質上的物質運動,所以就不能傳遞信息和能量。

那為什麼我們巨觀世界的物體不存在量子疊加現象呢?

其實這個宇宙的規律本來就沒有巨觀和微觀世界之分。

本質都是由微觀世界的現象主導的,量子疊加才是宇宙中最普遍且最正常的現象。我們之所以無法理解量子疊加,是因為我們生活在疊加態已經坍塌過的巨觀世界。

基于巨觀世界歸納出的牛頓力學,是先入為主的,所以我們才認為非疊加態才是正常的,疊加態反而不正常。

巨觀世界的疊加態消失只是因為巨觀物質的比較大,樹大招風,幾乎都會遭受到各種干擾,比如宇宙中無處不在的光子會撞擊巨觀物質,這種干擾的本質就相當測量坍塌效應,導致巨觀世界的疊加態都坍塌掉了,而呈現出確定的狀態。

最直接的證明就是空氣分子的疊加態,和分子尺度上的量子糾纏。

這就證明,即便比原子還大很多的物質,只要不被其他粒子干擾(相當于測量坍塌效應),依舊會出現疊加現象。

但在現實中,比分子再大一點的物質就必然會遭受其他粒子的干擾,所以分子尺度以上的物質,疊加態就會因為被干擾(測量),全部消失掉。

現在我們知道一個光子就是一個波包,這個波包的很多性質都是疊加態的。如果你要復制這個光子的狀態,就得把這個光子一分為二,但是光子是量子,是不可以再分,所以這個方法是被堵死的。

第二個方法就是測量這個光子的信息,然后根據這些信息重新還原一個相同的光子。但問題是,由于測量坍塌效應,一旦測量就會造成光子原來的疊加態消失,所以你永遠無法得到這個光子原來的疊加狀態。

這就是單個光子無法克隆的性質。

傳統的電磁波通信,是發射頻率高低不同的大量光子,光子頻率的高低代表就是0和1。所以竊聽者可以在光子傳遞的過程中偷走少部分的光子,通過這些光子的頻率高低就可以解讀出通信的內容。

而量子通信是利用單光子不可克隆原理 進行量子密鑰分發,理論上可以做到信息的絕對安全。

竊聽者要竊聽電磁波通信,要麼就偷走光子,要麼測量光子。

而單個光子一旦被偷走,那直接就被發現,這樣就證明傳遞信息的過程已經被竊聽,那干脆就不發送信息了。

如果竊聽者不偷光子,只是竊聽,就會引發測量坍塌效應,也會被發現。

只要量子通信被竊聽,就一定會被發現。所以通信雙方就會放棄此次通信

那要是一直竊聽,會不會造成通信持續中斷?

目前來說是這樣的。其實信息被竊聽并不可怕,可怕的是被竊聽了,還被獲取了內容。

量子通信最大的貢獻就是得知通信過程是否被竊聽,而不是阻止竊聽行為。

雖然竊聽者可以通過持續竊聽行為阻斷信息的發送。但是我們可以換其他信道傳輸。

即便其他信道也被持續竊聽,導致信息中斷。那還我們還有物理手段對付竊聽者。

搶先看最新趣聞請贊下面專頁

用戶評論