量子力学：两个相距遥远的粒子瞬间感应到彼此共享物理状态
著者：黄姤 / 黄媂
@太空生物学 / @天体生物学
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比如，入秋的第1天早晨，你出门刚刚觉得有点冷时，这个时候你的妈妈打来电话催促你该穿秋裤了。
比如，你正在想你的女朋友时，她的电话就打过来了。
还比如，双胞胎的其中一人受伤时，另外一人会莫名其妙地跟着也疼。
不知是巧合还是现实，有时明明相距甚远的两个人、两件事，突然就会有息息相通、不谋而合的情况，有人称之为——心灵感应。
科学家一般来说是不认可心灵感应的。长期以来他们都认为心灵感应只是一种巧合，甚至是迷信，可是在「量子力学」领域，铁一般的实验事实面前，科学家还不得不承认一些比心灵感应还要灵异的科学现象，这种科学现象就是——「量子纠缠」。
科学现象·「量子纠缠」
「薛定谔的猫」其实涉及的核心问题是量子的不确定性原理，有一个成语叫做“不自量力”，如果用在量子力学方面的话，我想它的意思应该就是·不要妄图以为自己懂得量子力学。
这是因为电子、原子、光子这些微观粒子的性质，与我们日常生活中所接触到的事物是完全不同的，这些差异有时可不仅仅是不能理解这么简单，是完完全全的不可理喻、不能接受，其中有一个很重要的方面就在于这些粒子的状态是不确定的，这种不确定性是完完全全的不确定的。
无论你是“先知”还是“神仙”，在进行具体的测量之前，你都不可能知道一个量子的确切状态是什么，只能根据概率进行推算。量子的世界就是如此这般，充满了不确定性，你永远无法预测下一个某个微观粒子的状态，你只能知道的是，这个微观粒子的某种状态的概率是多少，仅此而已。
举例说明：以电子的自旋为例
当电子从磁场中穿过时，自旋有可能变为向上、也可能变为向下，具体是哪种结果却是完全随机的，这种随机是真正的随机，在你对电子测量之前谁都无法得知它的状态，这是因为这个电子的状态实际上是在你测量的时候才能决定的。
当年丹麦物理学家尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔(Niels Henrik David Bohr，1885年10月7日-1962年11月18日)提出「不确定性原理」时，很多人是无法接受这个现实的，这其中就包括“爱波罗组合”，实际上这个组合是三位科学家，他们分别是爱因斯坦、波多尔斯基、罗森，“爱波罗组合”不肯相信波尔所说的——量子是随机的。
于是，在1935年“爱波罗组合”联合发布了一篇论文，论文中提到了一个非常著名的问题，这个问题被称为「epr悖论」，「epr悖论」描述了这样一件事情——有一天，有一个粒子本来好好地呆着，突然受到了外力作用一分为二，分裂成了A粒子和B粒子，分别向不同的方向飞去，越飞越远，根据「动量守恒定律」，两个粒子必然其中一个是左旋的，另一个是右旋的，或者相反。又根据「量子力学」的原理，在测量两个粒子的状态之前，它们两个都处于左旋或者右旋的叠加状态之中。可是当然两个粒子越飞越远之时，测量A粒子的状态，发现它是左旋的，此时B粒子必定是右旋的。
图解：“爱波罗组合”
「量子力学」认为粒子的状态是在测量的瞬间决定的，因此只有在测量A粒子状态的时候才决定它是左旋的，而相距甚远的B粒子在此时才能决定是右旋的。「量子纠缠」的关键点在于——A粒子和B粒子无论相距多么遥远，只要A粒子被测量出了显示左旋或者右旋的状态，那么B粒子一定就是相反的状态。此时就会带来一个令人困惑的问题，B粒子怎么能够瞬间就知道A粒子被测量了呢？难不成它们俩联系的速度已经超过了光速吗？
从宏观的角度上来看，这种机制似乎违反了「相对论」的限制，任何物体都不可能传播的速度比光速还要快，宇宙中怎么可能有比光速还要快的物质和信息呢！从经典物理的认识上来看，量子纠缠就完全无法解释得通嘛！当年，多数人是不会相信量子纠缠的，谁也不相信两个粒子竟然能够瞬间产生如此远距离的作用，这不就是科学家一直摒弃的心灵感应吗？
但是近几十年实验物理学家通过种种的实验已经证实了，两个相距遥远的粒子就是能够瞬间感应到彼此。如果您对上面的粒子理解起来有那么一丝丝的困难，我可以再举另外一个例子，这个例子叫做“量子臭袜子”。
举例说明：“量子臭袜子”
假如，你在家中是一个懒汉，袜子一穿就是几天从来不洗，每次脱下来就是随手一扔。有一天，你的妈妈在墙角发现了一只臭袜子，这只袜子已经连续被你穿了好几个星期，臭气熏天，打个不恰当的比方就是臭的都能自己站起来，更重要的是经过你这么一穿，袜子已经变得模糊、分不清左右了，它变成了一只“量子袜子”，而且是处于左脚和右脚叠加状态的“量子袜子”，与这只袜子配套的，还有另外一只“量子袜子”，同样臭气熏天，同样穿了好几个星期，同样也分不清左右了，处于左脚和右脚的叠加状态。
不幸的是，在前一天的晚上，你家的狗实在受不了另外一只袜子的味道，把它扔进了垃圾桶，你勤劳的爸爸刚进家门就把垃圾给扔了，这另外一只“量子袜子”已经送达了垃圾回收站。一对左右分明的袜子经过你的这么一穿，由于脚气的威力实在过于巨大，两只袜子已经都处于左脚和右脚的叠加状态了，可毕竟两只袜子是当年一起买的，所以只可能一只是左的，一只是右的。因此当你忍住臭味确定家中墙角的那只袜子是穿在左脚上的时候，与此同时垃圾回收站的另外一只就一定是右脚上的。
总之，两只袜子就是这样的状态，两者必须同时处于叠加状态或者确定的状态，当一方的状态确定时，另一方的状态也随之确定，并且当其中的一只确定为左脚或者右脚之时，另一只一定会是右脚或者左脚，这两只臭袜子当对其中的一只仔细辨别发现是左脚时，另外一只必然是右脚的，无论它俩的距离有多么遥远，哪怕你的两只袜子一只在天狼星上，另一只在半人马座α星上，只要其中的一只袜子被辨别了左右，另外一只袜子就能够瞬间地感受到这种效应，变成了一只配套的单袜了。
上面就是量子袜子”的例子，为了更好地解释「量子纠缠」，最重要的一件事就是理解——瞬时。
总结一下：所谓的「量子纠缠」指的是在「量子力学」的领域，具有纠缠态的两个粒子，无论相距多么遥远，都能够以一种非常奇妙的方式纠缠在一起，瞬间共享它们的物理状态，具有纠缠态的两个粒子，再远都没有关系，只要其中的一个状态发生变化，就好像它们彼此都在对方面前一样。
量子纠缠使得「定域性」受到了挑战
“爱波罗组合”的思想实验一经提出，人们再次陷入了深思，似乎有什么重要的定理又要被否认了，经典的物理学有三个基本假设，它们分别是「守恒律」、「确定性」和「定域性」。
「守恒律」
指的是，一个系统中某个物理量不会随着时间的改变而改变的定律。
最简单的守恒律是1+1=2，这也是我们这个世界的基石，很难想象如果有一天人们算出来1+1 ≠2了，这个世界将会如何的崩塌。物理界的守恒律其实有很多，比如能量守恒、动量守恒、角动量守恒等等。
「确定性」
指的是，从经典物理的规律出发就能够得到确定的解。
比如，我们通过时间和速度相乘就能够得到路程。
「定域性」
指的是，一个特定的物体只能够被它周围的“力”所影响，也就是说两个物体之间的相互作用必须以波或者粒子作为中介才能够进行传播，简单点来说，地域性就是指两个物体不可能平白无故地发生相互作用。
可是当我们接收了量子力学的不确定性后，就必须承认在“爱波罗组合”的思想实验中，守恒律和定域性其中之一就要被否定了，量子力学在之前已经表现出了对守恒定律的遵守，所以此时就不得不承认「定域性」遭受到了挑战，也就是说，两个纠缠的粒子就算距离再远，也能够瞬时给对方施加影响，如同心灵感应一般不需要任何过程。爱因斯坦也觉得这件事情实在太过蹊跷，当年给它取了一个名字叫做—— 「幽灵般的超距作用」。
这里就会有一个重要的问题，量子纠缠使得「定域性」受到了挑战，两个相距遥远的粒子之前产生的作用，这种作用已经超过光速了，难道相对论要失效了吗？
当然不是。
目前我们还没有发现爱因斯坦相对论失效的证据，量子可以超光速，但是它不违背相对论，这是因为相对论只限制了信息的传播速度不能超过光速，宇宙中确实有一些超越光速的存在，比如宇宙的膨胀速度就可以超过光速，但是宇宙膨胀本身不会传递信息，所以不能说宇宙膨胀的速度超过光速就违背了相对论。
同样的，量子之间存在超距作用，但是这种超距作用不会传递信息，在量子力学中两个纠缠的粒子状态是完全随机的，测量所得到的结果也是完全随机的，通过两个遥远距离相互纠缠，粒子之间的同步变化所能传递的也仅仅只是一些随机的信号，我们无法通过这些随机的信号获取任何有用的信息。
举例说明：
「量子」就像一个不听话的打字员，当你想要给对方传送一个零时，这位打字员却偏偏不会这么做，一直在键盘上随机地敲打，即使对方得到了一串字符，但这串字符中也不包含任何可用的信息。这是因为根据定义来看，信息是能够减少系统的不确定性的内容，量子纠缠既然不能减少系统的不确定性，自然无法传递任何信息，也就不违反相对论了。
黄姤结语·「量子」究竟在纠缠些什么呢？为什么会产生量子纠缠呢？
也许你会说这是因为量子的不确定性原理，两个相关联的粒子之前都处于叠加状态，当测量改变了它们的状态时，它们的状态需要同步地改变，那么你接着会问，为什么量子会有不确定性呢？测量量子状态之时又发生了什么样的事情呢？
恐怕这样的问题谁也回答不上来了，科学家根据理论得到了很多结论，这些结论和实验结果符合地很好，所以现阶段我们就认为这些理论是正确的。
根据量子力学的理论，推导出来了量子之间会产生纠缠，只知道这种纠缠和实验结果符合得非常好，目前也只能做到这些，其实很多问题如果我们多问几个为什么！问题就会没有答案。
比如牛顿的苹果为什么会从树上掉下来这个经典的问题，你会说苹果从树上掉下来是因为万有引力，地球在吸引着苹果，那么我问你为什么会有万有引力呢？你会说这是因为广义相对论，有质量的物体会使时空弯曲，那我问你为什么有质量的物体会使时空弯曲呢？这个问题恐怕就连爱因斯坦也无法回答了，我们只能告诉你，这个理论是由爱因斯坦提出的，它和多数的实验和观测结果符合得非常好，在现阶段我们就是认为广义相对论是正确的。
事实上，只要我们针对某一个简单的问题一直追问下去，不出几个回合就达到了人类目前认识水平的极限，所以对于量子纠缠所产生的最深层次的原因，其实谁也不知道，我们只知道反正目前世界上所有的实验室所做出的实验都认为量子纠缠是确实存在的。
有人认为，量子纠缠其实是两个量子在高维度空间的零距离，我们看到的三维空间只是这个高维空间的投影，这种说法严格意义上没有什么毛病，但关键点在于这种说法在现阶段很难去证明，也很难去证伪，因为现阶段甚至连高维空间长成什么样都无法得知，更何况去验证它呢！所以对量子纠缠这种鬼魅一般的效应，在现阶段我们只能接受就好了，至于为什么会纠缠！怎样纠缠！纠缠什么！目前来说谁也不知道，我们只能留给后来人了。