真實(shí)的量子科學(xué)是什么樣的？

時(shí)間：2022-12-31 20:55:03

關(guān)鍵字：量子科學(xué) 波動(dòng) 速度

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[導(dǎo)讀]最近有關(guān)“量子波動(dòng)速度法”的新聞讓筆者大跌眼鏡，習(xí)得此法，能在1-5分鐘看完一本10萬字左右的書籍，具體操作步驟如下：1，左手穩(wěn)住書脊；2，右手食指到小拇指拖住書背，3，大拇指壓住書邊，瘋狂將紙張送出；4，閉眼感受清風(fēng)，那是知識(shí)的波動(dòng)。

最近有關(guān)“量子波動(dòng)速度法”的新聞讓筆者大跌眼鏡，習(xí)得此法，能在1-5分鐘看完一本10萬字左右的書籍，具體操作步驟如下：1，左手穩(wěn)住書脊；2，右手食指到小拇指拖住書背，3，大拇指壓住書邊，瘋狂將紙張送出；4，閉眼感受清風(fēng)，那是知識(shí)的波動(dòng)。

接著有媒體發(fā)現(xiàn)，有機(jī)構(gòu)通過量子干預(yù)技術(shù)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程接骨。不過該公司近日已經(jīng)人去樓區(qū)，不少投資者直呼上當(dāng)。

外界果然傳的沒有錯(cuò)，量子科學(xué)的確是一個(gè)考驗(yàn)智商的存在。

本周的薦書欄目所要推薦的是一本外行都能看懂的量子書籍——《貓、愛因斯坦和密碼學(xué)：我也能看懂的量子通信》。該書屬于知乎一小時(shí)系列，短小精悍。

一

有江湖的地方就有門派，有門派就有撕逼，在20世紀(jì)初，物理學(xué)江湖在光的問題上，存在兩個(gè)門派——粒派、波派。如果光是粒子，它就像一個(gè)光滑的小球；如果是波，就可以解釋干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象。

這可如何是好，到底怎么站隊(duì)呢？你問為什么連這個(gè)問題都爭(zhēng)執(zhí)，作者給出了回答“信仰！”科學(xué)家們都以為自己信奉的是真理。

直到1924年，終于有人大徹大悟：波or粒子，為什么不能兩者皆有呢？波和粒如同陰陽(yáng)一般相生相克，就像一枚硬幣的正反兩面（波粒二象性），只不過我們一直以來都在盲人摸象、各執(zhí)一詞。

當(dāng)然，這離不開一個(gè)靈異實(shí)驗(yàn)——雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。

一束光，打到雙縫上，如果是純粒子，那就在背板上留下兩道杠，如果是純波，那屏幕上就出現(xiàn)斑馬線。如果是波粒二象性，那就是雜交混合體。

第一次實(shí)驗(yàn)，得出標(biāo)準(zhǔn)斑馬線。粒子派不服氣，換個(gè)方法再做一次。

第二次實(shí)驗(yàn)，采用點(diǎn)射，一次發(fā)射一個(gè)光子。結(jié)果，還是斑馬線。問題來了，為什么一個(gè)個(gè)過去還是斑馬線？粒子有精神分裂？

第三次實(shí)驗(yàn)，在屏幕前加兩個(gè)攝像頭，看著它過去。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，并沒有光子分裂。詭異的是，屏幕上只出現(xiàn)了兩道杠。

這就是觀察者的魔咒，此時(shí)量子魔法時(shí)代的大幕，也在徐徐拉開。

二

通過前面的燒腦實(shí)驗(yàn)，波爾總結(jié)了量子世界的三大基本原則：1，態(tài)疊加原理；2，測(cè)不準(zhǔn)原理；3，觀察者原理。

（備注：1，態(tài)疊加原理：在量子世界，一切事物可以同時(shí)處于不同的狀態(tài)（疊加態(tài)），各種可能性并存。比如，在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)光子可以同時(shí)處在左縫和右縫。這種人類無法想象的疊加態(tài)，才是最普通不過的本質(zhì)形態(tài)；而在我們看來”正?！钡姆呛诩窗?，才是一種特例。

2，疊加態(tài)是不可能精確測(cè)量的。比如，精確測(cè)出了粒子的位置，但它的速度卻永遠(yuǎn)測(cè)不準(zhǔn)！這并不是因?yàn)閮x器精度不夠高，其實(shí)，儀器再好都沒用。這個(gè)不可能是被宇宙規(guī)律所禁錮的”不可能”，而非”有可能但目前做不到”。

3，觀察者原理。雖然一切事物都是多種可能性的疊加，但是，我們永遠(yuǎn)看不到一個(gè)既左且右、又黑又白的量子物體。只要進(jìn)行觀測(cè)，必然看到一個(gè)確定無疑的結(jié)果。至于到底看到哪個(gè)態(tài)則是隨機(jī)的，其概率高低取決于疊加態(tài)中哪個(gè)態(tài)的成分居多。）

這樣就好解釋了：沒裝攝像頭：光子在未觀測(cè)的情況下處于”多種可能性并存”的疊加態(tài)，以50%的概率同時(shí)通過了左縫和右縫，形成干涉條紋；

裝上攝像頭：光子被觀測(cè)后只能處于一個(gè)態(tài)，不能神奇地同時(shí)穿雙縫了，所以干涉條紋就消失了。

很多人不服，這太反人類了，波爾的說法是，在觀測(cè)的一瞬間，光子隨機(jī)變成多種可能中的一種，過程叫“塌縮”。

而薛定諤拿出一只貓前來迎戰(zhàn)。也就是薛定諤的貓?！拓埻幰皇业倪€有個(gè)自動(dòng)化裝置，內(nèi)含一個(gè)放射性原子：如果原子核衰變，就會(huì)激發(fā)α射線->射線觸發(fā)開關(guān)->開關(guān)啟動(dòng)錘子->錘子落下->打破毒藥瓶，于是貓當(dāng)場(chǎng)斃命。

現(xiàn)在問題來了，貓死沒死，跟開箱觀察沒有關(guān)系，不開箱就已經(jīng)是死貓或者活貓了。

而波爾那句話似乎可以改成：只要微觀粒子處于”可能被精確測(cè)量”的環(huán)境下，它就會(huì)自動(dòng)塌縮，并不需要等待”觀察者”就位。

1996年，美國(guó)人夢(mèng)露（男）用單個(gè)鈹離子制成”薛定諤貓態(tài)”并拍下了快照，發(fā)現(xiàn)鈹離子在第一個(gè)位置處于自旋向上的狀態(tài)，而同時(shí)又在第二個(gè)位置自旋向下，而這兩個(gè)狀態(tài)相距80納米之遙！

這是人類有史以來第一次，親眼”看”到活生生的量子疊加現(xiàn)象。

2004年，潘建偉團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了多光子的薛定諤貓態(tài)。雖然這只貓的身材依舊苗條——渾身上下只有5個(gè)光子。

如果繼續(xù)增加粒子數(shù)量，是不是能把小貓慢慢喂肥成大貓呢？

然而，現(xiàn)實(shí)很殘酷：目前”薛貓”的最高紀(jì)錄，仍然是潘建偉2012年實(shí)現(xiàn)的8光子疊加態(tài)。要知道，為了增加區(qū)區(qū)3個(gè)光子，實(shí)驗(yàn)用了整整8年時(shí)間?？上攵?，要讓貓身上億個(gè)原子同時(shí)處于量子疊加態(tài)，絕非易事。

三

下面請(qǐng)出一個(gè)神器——粒子對(duì)撞機(jī)。

在對(duì)撞機(jī)中的母粒子被撞擊后，分裂成兩個(gè)更小的粒子A和B。因?yàn)槟芰渴睾阍?，子粒子能量相同，方向相反。比如說，因?yàn)槟噶Ｗ屿o止不動(dòng)，所以分裂后的子粒子A向左邊飛，B一定往右邊飛，這樣才能左右抵消。同理，A的自旋（角動(dòng)量）向上，B的自旋一定向下。

A和B這對(duì)龍鳳胎粒子，自打出娘胎起，他們的性別就沒確定，直到有人來看了一眼，這才瞬間分出男女！

然而和薛貓不同的是，箱子里的貓只有一只，孿生粒子卻有兩個(gè)。而且，這兩個(gè)粒子即使相隔很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)，疊加態(tài)也能保持不變。如同在千里之外，瞬間產(chǎn)生聯(lián)系……

愛因斯坦認(rèn)為，根本不存在薛定諤思想實(shí)驗(yàn)中那只不死不活的疊加態(tài)的貓。貓的死活在觀測(cè)之前就是定數(shù)，只不過愚蠢的人類看不見箱子里發(fā)生的一切，只能推測(cè)出”50%活or 50%死”的概率。

然而，在薛定諤”孿生粒子”的思想實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)相距萬里的粒子，觀測(cè)出A的狀態(tài)，也就知道B的狀態(tài)，因?yàn)锳和B都是一個(gè)母粒子分裂而成的，B的狀態(tài)一定和A相反。

因?yàn)锳、B兩個(gè)粒子的命運(yùn)緊密相連，牽一發(fā)而動(dòng)全身，所以薛老師給起了個(gè)性感的名字：量子糾纏。

這就好比如：母親把一雙鞋分給兄弟倆，他們各帶一只遠(yuǎn)走他鄉(xiāng)。中國(guó)的哥哥打開盒子發(fā)現(xiàn)是左腳，就知道弟弟帶到美國(guó)的另一只一定是右腳。

奇怪的是，根據(jù)量子力學(xué)的說法，弟弟那只鞋左還是右，不是他媽決定的，而是哥哥”打開盒子”的行為決定的。在哥哥看到左腳鞋的一瞬間，鞋里飛出一個(gè)神秘的信號(hào)，閃電般穿過千山萬水，通知美國(guó)的另一只鞋變成右腳！

這個(gè)速度能有多快？

無限快。

通過對(duì)粒子A的觀測(cè)，居然瞬間讓遠(yuǎn)方的粒子B的量子疊加態(tài)塌縮了——這被愛因斯坦斥為”幽靈般的超距作用”。

2008年的幽靈成像，側(cè)面證明了量子糾纏絕非幻想的最直觀的實(shí)驗(yàn)。