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美剧中的科学:量子纠缠、观察者效应以及叠加态

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《西部世界》第三季第6集分集标题

写这篇文章的原因,是因为美剧《西部世界》第三季第6集用“退相干”(Decoherence)这个量子力学概念做分集剧名,当时为了解释这个剧名写了一大堆,后来发现太长,就又重新简单写了一下,并说后面会详细给大家解释。现在我坐在电脑跟前很后悔,感觉给自己挖了一个坑,还是个深坑……

科幻作品超喜欢量子力学

量子力学一直以来都受到科幻题材影视作品的青睐,之所以备受青睐,源于量子力学自身与宏观世界的“矛盾”以及其内核中散发出来的哲学意味,用我们常说的话来讲,量子力学对于普通人来说更像是“玄学”。

薛定谔的猫

这些玄妙的理论,特别容易让一部影视作品显得高深莫测,编剧们大笔一挥——量子通信、量子计算机、量子纠缠、观察者效应、薛定谔的猫就跃然纸上,然后看得观众一头雾水还忙不迭地点头称是,没办法,咱文化水平不够,这一大堆方程列出来,咱也不知道,咱也不敢问。

所以今天就不跟大家讲太过深奥的内容(我也搞不懂),单纯跟大家聊一聊经常出现在科幻作品中的几个概念,等下次编剧们再装高深的时候,咱们也能明白他们到底在忽悠啥。

什么是量子(Quantum)

量子不是某一种粒子

虽然量子力学等高深莫测的概念经常出现在影视作品当中,但量子到底是个什么东西,可能大家都不明白。估计很多朋友会觉得量子跟分子、原子、电子是一类东西,实际上量子并不是粒子。

在不牵扯太多高深理论的情况下解释量子,比较直观的说法是:量子是一个尺度,或者说是一个范围。当我们所观察的物质小到一定范围之内的时候,它的物理性质就会与宏观世界出现截然不同的变化,量子力学就为了研究这一现象而出现的。比如说我们所知的电子、光子,都属于量子的范畴。

《蚁人2:黄蜂女现身》中的量子空间

这一点在漫威电影《蚁人2:黄蜂女现身》(Ant-Man and the Wasp)当中有着比较直观的体现:蚁人通过皮姆粒子不断缩小,当他缩小到一定程度的时候就来到了“量子空间”。

刚刚我们说过,当物质小到一定范围之内,物理性质就会出现让人意想不到的变化,那么,都会有哪些变化呢?

光的波粒二象性

好玩儿的事情就来了:高中物理曾经提到过“光的波粒二象性”,也就是说光子既有波的特征,也有粒子的特征,是一个矛盾结合体,电子也是这样。我们都知道,电子是构成物质的基础之一,如果电子是波的话,那么我们周围的所有物质,包括你手里正拿着的手机,甚至你这个人,都是波吗?

显然不是,不仅我们不是波,连组成我们的细胞、蛋白质还有再往小里去的分子都不是波,它们也没有表现出波的特征,但偏偏到了电子的尺度就表现出波的特征了。所以电子是量子的一种,分子不是,我们也不是。至于为何由量子组成的非量子不具备波的特征,我们在后面解释。

量子叠加态(想象图)

量子们有什么特殊的地方,让它们值得被物理学家单独拿出来研究呢?量子最让人迷惑的,也是最“违反常识”的,就是在坍缩之前他们一直处于“叠加态”(superposition state)之中。

什么是叠加态呢?

顾名思义,叠加态指的是一种状态,处于这个状态中的量子,存在着无数的可能性。打个比方:在你拿出手机来的时候,你有可能点开任何一篇文章,塌缩之后,你点开了这一篇。

薛定谔那只既死又活的猫

如果说某一件事情处于叠加态中,这很好理解,但你要说一种物质处于叠加态中,那就有点儿“玄学”了。我们生活中最熟悉的“物质叠加态”,莫过于薛定谔那只既死又活的猫。当然,薛定谔在现实中并没有虐待那只猫,这只是一个思想实验,是为了打击哥本哈根学派而提出来的。

玻尔(左)与爱因斯坦

叠加态这个观点就是哥本哈根学派提出来的,这一严重违背常识的理论遭到了当时大多数科学家的反对,其中最著名的莫过于爱因斯坦和薛定谔。爱因斯坦和哥本哈根学派领军人物尼尔斯·玻尔的论战我们稍后再说,先聊一聊薛定谔。

盒子里的猫不存在既死又活状态

“薛定谔的猫”这一思想实验就是为了证明叠加态的荒谬而提出来的。事实证明,宏观世界中不会存在既死又活的猫,当然也不存在任何处在模棱两可状态的物质。薛定谔琢磨出这个实验的原因是“叠加态”是不可观测的,任何观察行为都会让叠加态坍缩,也就是让某一可能性成为现实。

人不可能同时出现在四个方向上

这就像是你站在十字路口中央对别人说,我能同时往四个方向走,但你不能看,你一看,我就只能走向其中一个方向了……按照我们正常的逻辑来说,这不就是在耍无赖么,看一眼都不行?你别说,还真不行,别说你不行,薛定谔也不行!

《彗星来的那一夜》海报

关于叠加态,有一部科幻电影曾经有过非常有意思的解读,这部电影就是《彗星来的那一夜》(Coherence),其实这部电影的英文标题就是叠加态,但不知道为什么中文给出了这样一个翻译……

电影中提到的平行宇宙概念,其实就是叠加态的一种:人生有无限的可能,彗星的到来引起了坍缩,导致平行世界相互融合,最终造成了电影中的奇妙剧情。

观察者效应(Observer effect)

《危机边缘》海报

在描述叠加态的时候,我一直都在提一个重要的前置条件——观察。很多美剧也都曾经利用这一概念来大做文章,其中对“观察”这一行为描述最详尽也最恰当的,要算是美剧《危机边缘》(Fringe),相信看过这部美剧的朋友都记得剧中有一堆光头,被称为观察者(Observer)。

《危机边缘》中的观察者

观察者的主要工作就是蹲在一边儿悄咪咪的看着重要的历史事件发生,还拿着小本本记录下来,通过他们的“观察”和记录,来保证重要历史事件“坍缩”成为现实。是不是有一种非常唯心的感觉?难道我不看,历史就不会发生了吗?

你别说,在微观世界还真就是这样,这一现象被称为“观察者效应”,观察者效应被发现也是一件非常巧合的事情。说到这里,我们就不得不提到一个大名鼎鼎的实验——杨氏双缝干涉。

杨氏双缝干涉,可以看到明显干涉条纹

这个实验证明了上文中提到的“光的波粒二象性”:当一个光子对着两条竖缝发射出去之后,会在屏幕上投射出干涉条纹,这是波的特征。一个粒子是怎么同时穿过两条缝隙的呢?相信如果做实验的是你,你也会有这种疑问。

于是实验人员将杨氏双缝干涉升级为“杨氏双缝干涉2.0”:在两条缝隙上面安装了观察装置,想要搞清楚一个光子是如何穿过两条缝隙的,然后奇妙的事情就来了:干涉条纹消失了!光子只通过了其中一条缝隙,不再具备波的特征!

你能想象实验人员有多吃惊吗?光子竟然“害羞”了!光子只是一种粒子,它不具备思想,但是当出现观察者的时候,它却对观察这一行为作出了反应!这一现象同时也证明了叠加态是客观存在的——观察之前,光子处于穿过两条缝隙任何一条的可能性之中,观察之后,穿过两条缝隙可能性坍缩成穿过其中一条。

那么,光子为什么会“害羞”呢?最初的科学家们想破了脑袋,给出了一种看似合理的解释:观察这个行为对光子产生了干扰,造成了其坍缩。看上去这个解释很合理,因为人类感受世界的手段无外乎:视觉、听觉、触觉、嗅觉以及味觉,想要明确知道光子的路径,就需要使用视觉,观察装置最终也要转化成光信号才能被人感知,光信号自然也与光子有关系,所以最终的结果就是因为光信号的干扰导致光子路径产生了变化,事实上是这样吗?

最下方是量子擦除实验

并不是,因为科学家们又做了一个“杨氏双缝干涉3.0”,也就是著名的“量子擦除实验”:仍然保留观察装置,但是不输出观察结果,结果干涉条纹再次出现了!有没有一种恐怖的感觉?好像无形之中有一双眼睛在观察着实验人员,在知道不会输出结果之后,干涉条纹再次出现!那么,到底是什么造成了这一现象呢?

概率!所谓概率,指的就是一件事情发生的可能性,光子在被发射出来之后,光子在一定范围空间内存在的概率是相等的,观察这一行为则对概率进行了重新排布(比如增加了出现在左边缝隙的概率,相应的出现在右边缝隙的概率就降低了)。

打个比方:你向着球门把脚下的足球踢了出去,在你踢到球之前,这个球可能出现在你前方的任何位置(当然,太远了也不现实),然后根据你踢的位置、力度、风速、草皮摩擦力等等,足球落地位置的概率逐渐变化,最终坍缩到它落地的位置。观察行为就起到了力度、风速等的作用。

《危机边缘》中观察者的记录

所以我们可以看出来《危机边缘》的编剧还是具备基本科学素养的,在他们笔下的观察者并不是一味的观察,还伴随着记录这个行为,这就等于把重要历史事件发生的概率变成了100%。

《彗星来的那一夜》一样,《危机边缘》中也有“平行世界”概念,其实也是从“概率”这个概念上引申出来的。关于平行世界这个概念,也可以单独写一篇文章,等我回头再写(又给自己挖了个坑……)。

说到这里,大家是不是觉得“叠加态”这个概念很不可思议?这个理论放到宏观世界中的来说的话,是不是我没有看到的东西就是不存在的,我不知道的事情就是没有发生过的?

打个比方的话就是在你看到这篇文章之前,这篇文章是不存在的(我的颈椎和腰椎表示严重反对),在你看到这篇文章之后,它才“坍缩”成为真实的存在。换句话说,这一理论好像颠倒了我们正常认知中的因果律:因为你看到了这篇文章,所以我才写了这篇文章。这种理论是不是有些太“玄学”、太唯心了?

放心,哥本哈根学派在薛定谔拿出那只猫之后就给出了解释:虽然宏观世界是由微观粒子组成的,但微观粒子之间因为量子纠缠导致退相干,所以宏观世界不会呈现出叠加态。

量子纠缠(Quantum entanglement)

量子计算机

重头戏来了,薛定谔和爱因斯坦都曾经质疑过量子纠缠理论,但可能连他们自己都没想到的是,时至今日引领尖端科技的量子计算机、量子通信技术,都离不开量子纠缠理论。

在解释量子纠缠之前,我们要先来了解一个概念——相干性(Coherence)。我们可以从字面意思直接理解相干性,所谓相干性,指的就是相互干涉的特性。在微观世界当中,量子会体现出相干性,也就是说量子具备波的特征(可以相互干涉)。

所有物质都是由微观粒子构成

然后问题就又绕了回来,微观粒子具备波的特性,为何宏观物质却没有体现出这一特性呢?我们首先来明确一点:物质世界是由无数微观粒子组成的,在人类眼中两种不同的物质,在微观世界中是一样的,都是由微观粒子组成。

我们以薛定谔的猫来举例,如果现实中真的可以做这个实验,那么那只猫必须是活的,我们就要保证盒子里面有空气,猫在呼吸的过程中就与环境产生了交互,组成空气的“量子”与组成猫的“量子”纠缠到了一起。同时盒子里的空气还会与盒子交互,也纠缠在了一起。

人在外界观察盒子,盒子的状态是确定的,因盒子与空气纠缠,所以空气是确定的,空气又与猫纠缠,相干性消失,猫就变成了纯物质形态,不再具备波动性,也就不会处于“既死又活”的叠加态当中,这就是退相干。

量子纠缠的一种

这里的“纠缠”是量子表现出来的一种特性:两个(至少)耦合之后的微观粒子,在你观察A粒子的状态时,B粒子必然会呈现相反的状态。以电子举例,电子有上旋和下旋两种自旋方式,我们将两个电子耦合,然后观察A电子发现它是上旋状态,那么B电子必然是下旋状态。

举个例子:耦合之后的粒子就像是坐在了跷跷板上,当一个粒子向上移动的时候,另一个粒子必然向下移动。这就像是你在路上遇到一个人(耦合),当你在路口向左拐的时候,他必然向右拐。但是问题来了,电子没有意识,它们也不可能提前商量好,这种纠缠状态简直比叠加态还要“玄学”。

爱因斯坦

于是爱因斯坦紧跟着用ERP佯谬向他们发起了第二轮攻击,所谓佯谬就是悖论:假设量子纠缠存在,那么当耦合之后的两个粒子距离足够远的时候,你观察A粒子,如果B粒子呈现相反状态的话,就会出现“超距传播”——B粒子“得知”A粒子状态并作出“反应”的速度会超过光速。但相对论证明,光速无法超越,于是量子纠缠就陷入了悖论当中。

当大家纷纷佩服爱因斯坦的聪明才智,认为他终结了一场“世纪辩论”时,科学家们并没有停下探索的脚步,终于在2015年一场实验不仅证明了量子纠缠,还证明了量子纠缠所产生的信息传递速度确实可以超过光速!好了,这下彻底玄学了……

德洛莉丝带出来的意识球

美剧《西部世界》第三季第6集用它的剧情,给大家上了一堂科普课:从西部世界园区带出来的德洛莉丝的意识球之间存在相干性,她们之间会相互干涉相互作用。但当她们来到现实世界时候,每个意识都会与更多的人产生交集。

夏洛特“退相干”

这种交集就可以理解为量子纠缠,随着纠缠的日益加深,某些意识就会产生出脱离这个群体的想法,退相干因此产生。当然,这只是一种粗浅的解释,但也正是因为这种科普精神,让这部美剧变得更加迷人。

比较直观的量子纠缠解释

关于量子纠缠到底为什么会产生目前众说纷纭,目前普遍能够被接受的一种理论是:纠缠态的粒子之间从高维空间看其实是一个整体,高维空间不受距离的限制,也就是说粒子之间存在一个“高维跷跷板”。当然,到现在为止科学家们还没有给出一个“科学的解释”。

但这并不能阻止量子纠缠在其他领域的应用,比如说利用叠加态理论的量子计算机,理论上量子计算机的并行处理能力是现在计算机的数倍;利用量子纠缠理论的量子通信,超过光速的信息传播速度想想都让人觉得振奋。

墨子号量子通信实验卫星

2018年,我国发射了全世界第一颗量子通讯卫星——墨子号,在量子通信研究领域我们现在是走在世界前列的,说是全球第一也不为过。不过需要说明的是,墨子号所涉及的并非“超距传播”,而是综合量子纠缠以及观察者效应而产生的量子加密手段进行信息传播,这种手段被誉为绝对安全,无法被破解也无法被窃听。

如果大家看完这篇文章觉得还不错,同时也对量子计算机的原理和量子通信原理感兴趣的话,我会考虑再写一篇相关文章(又挖了一个坑……),今天这篇文章就到这里了,如果您真的看完了这篇文章,在这里谢谢您的耐心,感谢。

(完)

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什么概率、什么塌缩、什么测不准,因为脑子不够用解释不了,才出现了这么一堆东西。科学的发展一旦遇到瓶颈,什么艺术、玄学、神秘就粉墨登场。量子纠缠,就纠缠呗,没什么大不了,什么超光速传递,为什么丈量距离的就必须要用速度和时间?用尺子量桌子宽度时,请问速度时间分别是多少?量子纠缠,就是一种以前没发现的物质间相互作用的形式而已,没什么大不了的。世界,从来就没什么不确定的,没法确定只是能力问题,老爱同学说的对:上帝不掷骰子。

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