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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。

阿尔伯特·爱因斯坦相对论物理 2019未来科学大奖宇宙

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