1935年,阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森发表了一篇概念论文,爱因斯坦称之为「远距离的幽灵般的行动」。这就是最神秘的自然现象之一「量子纠缠」。当时爱因斯坦不相信两个粒子可以在很远的距离上保持相互连接。因为这样做将要求他们以比光速更快的速度进行通信,这被证明的不可能的。
用最简单的描述来说,「量子纠缠」就是处于纠缠状态的一对粒子,其中一个粒子的状态取决于另一个粒子的状态,无论它们相距多远或它们之间有什么,这些粒子可以是电子或光子。
这听起有点太理论化了。举个直观、易懂的例子-著名的「吉姆双胞胎」在 1940 年代出生后不久就分开了,尽管他们在完全不同的家庭中长大,但似乎过着平行的生活。当他们在 39 岁时重聚时,他们发现他们的生活故事之间有许多相似之处,包括他们的儿子、妻子和童年宠物的名字,以及他们对雪佛兰汽车、木工等的偏好。他们俩就像是一对处于纠缠的粒子,虽然他俩相隔万里,但他们的生活经历却极其相似,其中一人的经历,也在影响着另外一位。
今天,实验工作毫无疑问地表明「量子纠缠」是真实的。量子纠缠的奇怪之处在于,当你测量纠缠对中一个粒子的某些东西时,你会立即知道另一个粒子的一些信息,即使它们相距数百万光年。这两个粒子之间的这种奇怪的联系是瞬间的,似乎打破了宇宙的基本定律。
要真正理解量子纠缠的诡异性,我们还要了解「量子叠加」。根据量子力学,粒子在被观察到之前会同时处于两种或多种状态。著名的「薛定谔的猫」生动、形象地向我们展现了这一现象-即一只同时死去和活着的猫。说的是一只装在盒子里的猫,在盒子没有打开前,猫具有生和死两种叠加的状态。只有打开盒子时,才知道猫具有生和死哪种状态。
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量子叠加是粒子同时以多种状态存在,只有当进行测量时,粒子就选择了叠加态中的一种状态。例如,许多粒子都具有自旋的属性,「向上」或「向下」。在你测量一个粒子的自旋之前,它同时存在于自旋上升和自旋下降的叠加中。每个状态都有一个概率。只有当测量发生时,自旋的量子态才会「坍缩」为向上或向下——瞬间另一个粒子将会坍缩成相反的自旋。这似乎表明粒子通过某种比光速更快的方式相互交流。但根据物理定律,这是不可能得,因为没有什么能比光速更快。