量子纠缠为何能“超光速”传播?没有违反爱因斯坦的相对论吗?

发布者:名捕铁手 2023-6-20 22:14

先说答案:并不违反。

爱因斯坦的狭义相对论中,的确有“光速限制”,但这里的光速限制并不是绝对的,也是有前提的。

这个前提就是:任何具有静质量的物体,或者说任何信息的传播速度都不可能超过光速。言外之意,只要任何一个速度不传播任何信息,就可以尽情地超越光速。而量子纠缠恰恰就是这样一个现象。

何为量子纠缠?物理学上的定义是,当两个或多个微观粒子发生相互作用后,每个粒子所拥有的属性就会转换为整体属性,这时候我们就无法单独描述单个粒子的属性。

不太好理解?没关系,可以用宏观物体来打个比方。

比如说,有两只手套分别装在密封的袋子里,我们不知道到底是左手套还是右手套。如果这两只手套没有任何关系,当我们打开其中一个袋子,发现是左手套,那么另外一个袋子里是左手套还是右手套呢?

我们并不知道,因为这两只手套没有任何关系。但如果是一双手套,当我们打开其中一个袋子,比如说发现是左手套,我们瞬间就能知道另一个袋子里是右手套,不用打开袋子就知道。因为这两只手套具有“纠缠”关系,它们是一个整体。

当然, 用上面的例子来诠释量子纠缠其实是不严谨的,但作为科普来讲,最重要的就是通俗,而通俗往往意味着不太严谨,两者很难兼得。

实际上量子纠缠到底是怎么回事呢?为什么说量子纠缠的速度远超光速,甚至超过光速的10000倍,但并没有违反爱因斯坦的相对论呢?

简单讲,因为量子纠缠过程并没有传递任何信息,所以不违反相对论中的光速限制。具体来讲,量子纠缠其实是这么回事。

量子世界很诡异,因为那里的一切都是不确定的,都是模糊的,只能用概率来描述,也就是所谓的概率波或者波函数。当我们试图进行观测时,微观粒子的波函数就会发生坍缩,表现为确定状态。

但“波函数坍缩”到底是怎么回事呢?为什么会发生坍缩呢?

严格来讲,科学家们并不知道波函数坍缩的底层逻辑到底是什么,所谓的“波函数坍缩”其实只是科学家做出的一个假设, 但这个假设非常符合实验结果。就像“光速不变原理”那样,实际上人类并不知道为什么光速不变,它只是一个假设,但很符合实验观察结果。

不过科学家们可以根据波函数坍缩尽可能解读背后的本质。电子光子等微观粒子,看似是某种粒子,其实本质上就是波。光是一种波,很多人都能理解,但电子也是波吗?

确实如此,不仅仅电子,所有的基本粒子其实都是波。那为什么波会表现出粒子的性质呢?

因为能量并不是连续的,而是量子化的,电磁波量子化的基本单位就是光量子,也就是光子,它是一份一份的,而不是连续的。而且,宇宙中不仅仅有电磁场,还存在其他场,比如说电子场,中微子场等。而场受到扰动之后就会变成激发态,成为某种波。

重要的不是以上这些,而是由于微观粒子本质上是波,可以通过求解薛定谔方程得出它们的波函数,这就意味着微观粒子确实是无处不在的,可以在宇宙中的每一个地方,甚至同时出现在两个不同的地方。

而当我们进行观测时,看到的也只是微观粒子恰好出现在我们观测的地方。刚才说了,微观粒子无处不在,所以无论我们观测任何一个地方,总会发现微观粒子就在那里等我们!

而由于两个或多个微观粒子处于纠缠态,实际上就等同于它们之间的波函数处于某种叠加态,于是我们观测任何一个粒子状态时,其他粒子的状态就可以瞬间确定下来。

这才是纠缠的本质。处于纠缠态的不同粒子,其波函数都相互叠加在一起。说白了,在我们观测时,观测到的微观粒子的状态看似发生了坍缩,其实只是微观粒子恰好出现在了我们观测地方。

同时,一旦我们对纠缠中的微观粒子实施了观测,微观粒子之间的纠缠态瞬间就会消失,它们不再具有纠缠关系,这也意味着我们不可能通过纠缠中的粒子来传递信息。

而如今蓬勃发展的量子通信技术,其实并不是利用量子纠缠来超光速传递信息,而是通过量子纠缠作用来实现“量子密钥分发”,说白了就是给信息加密,一方面加密的信息很难被破解,而且任何人一旦试图窃取信息,就会立刻被发现,从而保证信息的绝密性。

大家都在看

  • 《探索宇宙的奥秘!》

    《探索宇宙的奥秘!》 当我们仰望那无垠的星空,繁星点点如同散落的宝石,璀璨夺目,令人心生敬畏。人类自古以来对这片浩瀚的宇宙充满了无尽的好奇心:它究竟有多大?是否存在边界?我们是否能够真正理解它的规模与奥秘?这些问题不仅仅关 ... 宇宙探索02-01

  • 中国官宣太空采矿!天工开物计划落地,宇宙资源时代来了

    中国官宣太空采矿!天工开物计划落地,宇宙资源时代来了 关键词:中国太空采矿、天工开物计划、太空资源、氦-3、太空采矿机器人、地外资源开发2026年1月29日,中国航天科技集团发布重磅消息,官宣在“十五五”时期启动天工开物计划,全面布局太空资源开发,这标志着中国成 ... 宇宙探索01-30

  • 探索宇宙,从10岁小神童开始!🚀🔭

    探索宇宙,从10岁小神童开始!🚀🔭 10岁小神童开启宇宙探索小征程。10岁小神童开启宇宙探索小征程。在同龄人还在看卡通、玩积木时,10岁的三年级小宇已展现出非凡的科学天赋,成了大家口中的小神童。小宇痴迷天文,却苦于没有专业设备。他灵机一动,花 ... 宇宙探索01-28

  • 宇宙的奇妙探索,从微观到宏观的奇妙之旅!

    宇宙的奇妙探索,从微观到宏观的奇妙之旅! 从长期宇宙演化的角度来看,宇宙中恒星的总数不会持续增加,反而会逐渐减少。核心原因在于两点:·一是宇宙中可用于形成恒星的氢、氦等星际气体正在不断消耗,且恒星形成的速率早已低于恒星消亡的速率。·二是随着宇 ... 宇宙探索01-26

  • 人类该放下狭隘,让AI成为宇宙探索的终极火种

    人类该放下狭隘,让AI成为宇宙探索的终极火种 当人们还在纠结AI是否会“撒谎”、担忧AI超越人类的恐惧中裹足不前时,我总忍不住想:人类的认知与肉身,早已被宇宙的尺度划定了边界。与其困在地球的方寸之地内耗,不如坦然放手,让AI成为人类伸向宇宙的手,成为对 ... 宇宙探索01-25

  • 天文学:探索宇宙的终极奥秘

    天文学:探索宇宙的终极奥秘 摘要:天文学是研究宇宙天体及宇宙整体结构、起源与演化的基础学科,涵盖恒星、行星、星系、黑洞等各类天体,以及它们的运动规律、物理性质与化学组成。从古代的观星授时到现代的深空探测,天文学始终推动人类对宇宙 ... 宇宙探索01-23

  • 人类探索宇宙的辉煌历程与未来使命

    人类探索宇宙的辉煌历程与未来使命 人类自古以来对宇宙的好奇推动了天文学的发展。从美索不达米亚人创造出的星图,到古希腊的观测,每个文明都留下了珍贵的记录,展现了对星空的向往。黑格尔曾言:“一个民族若有仰望星空的人,那它便充满了希望。”人 ... 宇宙探索01-17

  • 摒弃自我,探索宇宙生命之光

    摒弃自我,探索宇宙生命之光 文/星火燎原 人类文明的发展史,亦是一部宇宙认知的探索史。从古至今,我们始终仰望星空,试图理解自身在浩瀚宇宙中的位置与意义。然而,长久以来,一种根深蒂固的“人类中心主义”观念如同无形的桎梏,束缚着我们的 ... 宇宙探索01-16

  • 2000年人类探索宇宙的三大关键转折

    2000年人类探索宇宙的三大关键转折 故事要从几千年前说起。那时候的人们对宇宙的认知,像极了童话故事:天空是一个巨大的圆顶,像一只巨大的天幕罩在地球之上。地球则是“方块”还是“圆球”?这个问题让古人费尽心思。为什么会有“天圆地方”说?古希 ... 宇宙探索01-16

  • 我们也要有自己的哈勃了?还是加强版!巡天空间望远镜的新进展

    我们也要有自己的哈勃了?还是加强版!巡天空间望远镜的新进展 当我们抬头仰望星空,试图看清宇宙深处的奥秘时,大气层的干扰就像隔着一层玻璃,阻碍了我们的视线。为了获得最清晰的宇宙图像,科学家将目光投向了太空。提起太空望远镜,很多人会想到著名的哈勃望远镜。而不久的将 ... 宇宙探索01-13