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量子纏結超過光速的10000倍,難道相對論中的「光速限制」錯了?

2024-09-04科學

量子纏結,這個在微觀世界中普遍存在的現象,對於許多人來說依舊充滿了神秘色彩。當幾個粒子經過交互作用後,它們似乎就形成了一個不可分割的整體,粒子各自的個性仿佛消失了,轉而展現的是一種集體的、統一的特性。

這種特性非常奇特,即便將這些粒子分開到相距遙遠的距離,理論上甚至可以是無限遠,它們之間的纏結關系仍然存在。

量子纏結最直觀的表現就是兩個粒子自旋方向的相反。在人們未對這些粒子進行觀測之前,粒子的狀態是未知的,它們處於一種零自旋的纏結態,這可以被看作是兩個直積態的疊加。

這種疊加狀態用狄拉克標記表示,就如同一對手套,一只左手套和一只右手套,在未開啟裝有手套的盒子之前,我們無法確定盒子裏的手套是左手還是右手,它們處於一種可能左手也可能右手的疊加態。只有當我們開啟一只盒子,發現了其中裝的是左手套,我們才能立刻知道另一只盒子裏的是右手套,無論這兩只盒子相距多遠。

量子纏結的神奇之處在於,即便兩個粒子被分開到極為遙遠的距離,它們仍舊能以一種似乎超越了空間和時間的速度相互響應。這種響應速度之快,給人一種超越了光速的錯覺。但實際上,將量子纏結的速度與光速相比較是一種誤解。量子纏結並不是物質的移動速度,而是一種對粒子狀態進行猜測的速度。

就像我們用手套的例子來比喻,當我們知道了一只手套是左手套,就能立刻推斷出另一只是右手套,這種推斷的速度無論距離多遠似乎都是瞬時的。

但這並不能說明資訊傳遞的速度超越了光速,因為量子纏結並沒有實際傳遞任何資訊或能量,它只是反映了量子世界中的一種固有特性。這種特性類似於思維的速度,即我們想到某個事物的瞬間,相關的概念就已經在我們的腦海中形成了,但這並不意味著我們的思維真的以某種速度在物理世界中移動。

量子纏結雖然看似神奇,但它並不違背物理世界的基本法則。不確定性原理告訴我們,當我們嘗試觀測量子粒子時,我們的觀測行為本身就會對粒子的狀態產生影響。這意味著,我們無法同時準確地知道一個量子粒子的確切位置和動量,因為任何對其中一個內容的觀測都會改變另一個內容的狀態。

在量子纏結的情境下,這種不確定性原理的影響尤為顯著。當我們觀測一對纏結粒子中的一個時,不僅改變了這個粒子本身的狀態,同時也影響了與其纏結的另一個粒子的狀態。這種影響是瞬間的,無論兩個粒子之間的距離有多遠,但這並不代表資訊或能量的傳遞速度超越了光速。

量子纏結中的這種瞬間響應,只是量子力學中的一種現象,它並沒有實際傳遞任何資訊,只是表明了量子態的一種內在關聯性。因此,量子纏結雖然能夠在遠距離上瞬間影響彼此,但這並不等同於資訊傳遞,更不意味著超越了光速的限制。

量子通訊作為資訊保安領域的一大突破,其基礎是量子力學的一系列獨特性質,如量子纏結、量子不可複制定理等。這些性質保證了量子通訊的高安全性,使得資訊傳輸過程中的金鑰分發變得幾乎不可破解。然而,量子通訊並不涉及資訊或能量的超光速傳遞。

量子通訊的核心在於利用量子態的不確定性來確保資訊的安全。例如,當兩個粒子處於量子纏結態時,對一個粒子的觀測會立即影響到另一個粒子,這種影響雖然迅速,但並不包含實際的資訊內容。因此,量子通訊僅限於金鑰的分發,並不能用來傳遞實際的數據或訊息,它的速度並沒有超越光速。

在探索宇宙的極限時,愛因史坦的相對論為我們設定了一個明確的邊界——真空光速。狹義相對論明確指出,光速是物質運動速度的天花板,任何有靜止品質的物體都無法突破這一極限。質速關系公式進一步展示了這一原理,當物體的速度趨近於光速時,其所需的能量將趨於無窮大,這在物理世界中是不可能的。

這一光速限制不僅是數學上的結論,它也是現代物理學的一根基石,影響了我們對宇宙的認識。任何試圖超越這一速度的物體,都將面臨能量無窮大的困境,這在現實世界中意味著無法逾越的屏障。因此,盡管量子纏結等現象看似神奇,但它們並沒有違反相對論設定的速度極限。

在討論超光速現象時,我們必須清晰地區分物質的運動速度與非物質現象的速度。量子纏結、宇宙膨脹、蟲洞穿越以及曲速航行等,雖然在某種意義上都表現為超越了光速,但它們實際上並不涉及物質的超光速運動。

量子纏結的速度反映了量子態變化的瞬時性,而宇宙膨脹速度則是空間膨脹的體現,蟲洞和曲速航行則是理論中的概念,它們可能允許在某種意義上的超光速旅行,但並沒有實際的物質速度超越光速。這些現象與物質的運動速度無關,因此並不違反愛因史坦相對論中對光速的限制。