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量子纠缠被证实意味着什么?

世界的本质,居然真是量子化的。

而上帝,真的是在掷骰子……

「量子纠缠」这个名词可以说是近年来,在量子物理领域里,除了量子计算机以外,被普通大众媒体提及最多的网红破圈词汇了。

当然,还有很多和量子纠缠相关的名词,也经常被媒体提及。

比如量子加密通讯,密集编码,量子隐态传输等等。

这些名词经常被提及,其中一个重要的原因就是:这是在各种玄妙的量子技术领域中,最前沿最接近实用化的技术之一。

同时,我们国家在这项技术上,又还处于非常领先的地位。

所以媒体们,也很爱提到我们在这方面取得的科技成就和荣誉,顺便也给大家普及了这些高冷无比的科学名词。

我国的量子通信科技新闻(图源:新华视点)

那么所谓量子纠缠究竟是什么呢?

是不是像某些媒体描述的那样,可以帮助人们实现绝对安全的远程通讯,构筑无法干扰、无法窃听的保密通信网,或者是实现无视距离的超光速信息传递呢?

此外,这个现象是不是也可以和之前的量子现象一样,我们也同样可以用虚拟世界的视角来帮助认识和理解呢?

大家不要着急,我们还是先了解一些基础知识。

我们先看看量子纠缠到底是什么意思。

所谓量子纠缠,其实就是指微观世界里面,发生的一种特殊的多粒子的耦合现象。

通俗来说,就是几个粒子联成了一个整体系统了。

不过它们联成的不是一个整体,而是一个整体系统,也就是说每个粒子还是单独存在的,而且可以分开。

但是从关系上呢,它们之间又存在某种不可分割的整体关联。

一旦粒子之间有了这种纠缠关系之后,这些彼此纠缠的粒子不管身在何方,它们之间都能瞬间互相影响。

而且这种影响,不随距离的改变而消失。

彼此之间的影响,似乎也没有任何速度上的限制。

量子纠缠

比如说,一对相互形成纠缠的粒子。(我们把它们比作一对兄弟吧)

我们把这对兄弟粒子彼此分开,然后让它们向相反方向飞去,并让它们尽可能地飞得相距更远一些,比如让它们相距百万甚至千万公里以上。

然后,这时候我们观测其中一个「哥哥粒子」的某些属性,比如观测它的自旋方向。

一旦当我们观测到这个「哥哥粒子」自旋方向后,另一个「弟弟粒子」就能同时就能感应到,它的兄弟被观测了。

于是,它马上也就显示出一个跟它「哥哥」完全相反的自旋方向来,以保持他们彼此绝对互补。

你瞅瞅这个过程,是不是会感觉,其实并没有那么复杂难懂。

也许这对粒子在分开时候自旋方向本来就是相反的,它们只不过保持了角动量守恒。

所以不管跑多远,你看了其中一只,自然就知道另一只的方向了。

就像两只鞋子,本来就是一对。

不管你把它们分开多远,你只要看到一只是左脚的,自然马上知道另一只就是右脚的嘛。

这难道有什么奇怪的地方吗?

问题自然没有那么简单,科学家们自然也不会连这种基本关系也会好奇。

科学家们深入研究了这个问题后发现,纠缠粒子之间的关系,并没有角动量守恒这么单纯。

它们之间,具有着更深入的互补特性。

这就值得好奇一下了。

其实最先发现这个问题的,正是大名鼎鼎的爱因斯坦。

爱因斯坦,正是在和玻尔的哥本哈根学派,论战的过程中,把这个问题先提出来的。

提到爱因斯坦和玻尔的世纪大论战,话又要说回我们之前提到的物理史上那个最激动人心的年代:新量子力学诞生的年代。

当时,爱因斯坦作为旧量子理论的拥护者和以玻尔为代表的新量子理论开创派——哥本哈根学派之间发生了激烈的争执。

爱因斯坦,曾经尝试用一个「光箱思想实验」挑战玻尔的量子理论。

可惜并未成功。

反而,还被玻尔利用爱因斯坦自己的相对论,进行了成功的反驳,击退了爱因斯坦的第一次挑战。

但是,爱因斯坦肯定不是会轻易认输的角色。

几年后,爱因斯坦卷土重来,再次向哥本哈根发起了新的挑战。

这次爱因斯坦利用的武器就是与量子纠缠相关的一个新的思想实验:EPR 佯谬问题。

什么是 EPR 佯谬问题呢?

EPR 佯谬,就是针对量子纠缠现象中,两个粒子的相关性提出的。

在当时,量子的「不确定性」和观测导致「坍缩」的特性已经都被大家所认识了。

两个粒子发生纠缠的时候,也会有这样的现象存在。

只不过呢,两个纠缠的粒子被观测的时候,会同时坍缩。

坍缩后两个粒子,就会保持完全相反的互补状态。

这个现象其实是已经都被大家所了解的。

但爱因斯坦提出:

假如两个粒子发生纠缠之后,设法将这两个粒子分开得足够远,远到之间的距离,连光传播也要很久的时间,比如一百光年那么远。

此时我们观测其中某个粒子,按照量子理论,另一个粒子的状态,就会瞬间确定。

而两个粒子,在属性上,又需要保持「完全互补」的关系。

那么这种关系的确定过程,如果是瞬时的,岂不是就超越了光速吗?

那么要解释这种现象,只有两种可能:

第一种可能,是有某种机制,让信息超越光速,进行了传播,瞬间协调了它们之间的属性;

第二种可能,则是这两个粒子,事先约定好了某种互补状态,然后一直保持着状态互补关系。

这两种可能解释,其实就意味着对整个世界的两种解释方式:

前者,如果我们相信,是由某种超光速机制在协调两个遥远的粒子。

那么这个世界,似乎在微观层面就有一些和宏观层面不一致的神秘机制在起作用。

而如果是后者,那么就只是一个简单问题了,只是我们的认识不足,还有一些物理学的隐藏参数没有发现而已。

粒子之间的瞬间协同性,其实只是一种「假象」,是我们现阶段知识不足造成的而已。

伟大如爱因斯坦,怎么可能认同前面那种,如同神棍的逻辑呢?

他当然认为应该是后者,两个粒子之间一定存在某种「隐变量」在制约它们的行为而已,哪里有什么神秘机制。

更何况,当年也没有电子游戏,这样的虚拟体验可以启发思想,不是吗?

于是,爱因斯坦就拿出了这个 EPR 佯谬问题,很严肃地告诉玻尔。

你们除非证明两个纠缠粒子之间的关系是前者,而不是后者。

否则,你们整个量子力学体系就是错的。

世界不是你们想象出来的,它还是经典的、定域的、实在的!

好,现在球踢给哥本哈根学派了,玻尔他们现在要怎样应对爱因斯坦的挑战呢?

玻尔面对挑战自然不会轻易认输。

他作为新时代量子理论的奠基者之一,怎么可能向爱因斯坦的旧理论屈服呢?

就算是他还没玩到电子游戏,玻尔也能感觉出,这个世界背后,一定有某种深层机制突破了定域和实在性。

他果断应战,准备设计实验来证明爱因斯坦错了。

玻尔要如何证明爱因斯坦是错的呢?

玻尔首先要证明,两个粒子之间的协调性速度是远比光速快的。

这比较好办。

我们设计实验,可以把两个粒子分别引到足够远的距离。

然后用超过它们可能利用光速彼此联系的时间,来比对它们的状态就好了。

(比如现实中可以用长光纤,把纠缠的光子对,分别分离、引导开来实现)。

其次,玻尔还要证明,两个粒子之间的协调性是瞬时同步产生的,而不是它们事先约定好的。

我们要证明两个粒子之间,没有任何事先的神秘约定,那这要如何证明呢?

俗话说,瞌睡碰到枕头,真是巧了。

这边正好有一个爱因斯坦的「大粉丝」,听到了这个事情。

他就是北爱尔兰的物理学家,约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell)。

贝尔了解了双方争论之后,当然认为爱因斯坦是对的。

这个世界,怎么可能会出现违反直觉和常识的事情呢?

于是为了帮助爱因斯坦,贝尔反复琢磨了双方的观点。

在 1964 年的时候,他突然想到了一个数学方法,可以把两者的观点,给明确地表述出来。

贝尔用了一个不等式,来表示出了两者,在协调性上的数学区别。

贝尔不等式

贝尔认为,只要这个不等式成立,那么爱因斯坦就是对的。

两个粒子之间,就一定有事先约定好的方案。

如果不成立,那么玻尔就是对的。

两个粒子之间,没有什么事先约定的方案。

当然,他认为很显然这个不等式应该成立嘛。

不然他为什么不把符号倒过来,用成立来对应玻尔的理论呢?

不过,不管怎样,科学家一致认为这个不等式是对爱因斯坦和玻尔两人争论,或者说是对世界到底是经典的,还是量子的,最为明确的一个数学总结。

而且,这个不等式还比较好验证。

不过我们作为普通读者,怎么才能理解这个公式到底说的是什么呢?

我们也能用虚拟游戏的视角,来理解贝尔不等式的含义吗?

当然可以。

我们现在就尝试用游戏视角,来解释一下这个物理学上最重要的公式之一。

话说在虚拟世界的量子游戏里,我们用系统生成了一对宝箱,系统生成的每对宝箱里面都有一只漂亮的蝴蝶精灵。

双子宝箱

我们已知,宝箱里面的蝴蝶精灵的颜色只有白色和黑色。

而每对宝箱里的蝴蝶颜色,则一定是相反的,它们是一对「双子」精灵。

那么毫无疑问,如果有一对宝箱,那么无论什么时候,我们打开其中一只宝箱,看到了里面的蝴蝶的颜色的话,就能马上知道另一只宝箱的蝴蝶颜色。

但是这个游戏的设计师告诉我们,这种成对宝箱的程序实现方式,其实有些区别的。

具体说就是成对宝箱其实有两种实现方式:

一种是,事先就生成好一对双子蝴蝶,然后再分别装在不同宝箱里。

这种,先有蝴蝶,再装进宝箱的方式,我们命名为「传统宝箱」;

而另一种呢,则是在你打开成对宝箱中的任意一只的一瞬间,才马上执行生成蝴蝶的代码。

在两只箱子里,立刻生成一对颜色相反的双子蝴蝶。

我们将这种宝箱命名为「量子宝箱」。

于是游戏的设计师想挑战我们,想让我们试试看,能不能通过观察分辨出哪一对宝箱是传统宝箱,哪一对是量子宝箱。

这个挑战看起来似乎不可能完成。

因为简单从开箱后的观察结果来看,似乎两种形式的宝箱都是完全一样的。

两种都是装着颜色相反的双子蝴蝶而已,我们似乎无法分辨两者有什么不同。

打开的两个宝箱

但是,我们玩家都是很有耐心的,经过认真的反复摆弄两种不同的宝箱,重复开箱过无数次以后,我们还是发现了一些差别。

我们发现,每个宝箱里面的蝴蝶颜色其实是由三个部分构成的。

分别是「触角」、「翅膀」和「身体」。

每个部位都有可能是「黑色」和「白色」两种颜色中的一种。

不过每次开箱的时候,蝴蝶身上的颜色都是随机产生的。

当我们打开 A 宝箱的时候,我们如果看到蝴蝶精灵是「黑触角」+「白翅膀」+「黑身体」。

那么我们打开另外一个 B 宝箱,看到的蝴蝶精灵就必然是「白触角」+「黑翅膀」+「白身体」。

完全相反。

如果 A 宝箱看到的是「白触角」+「黑翅膀」+「黑身体」。

那么 B 宝箱里的蝴蝶就一定是「黑触角」+「白翅膀」+「白身体」。

一点都不会错。

那么,两只宝箱里蝴蝶的各部位颜色对应得很好,我们怎么才能分辨出差别呢?

我们仔细思考了一下,传统宝箱和量子宝箱之间的逻辑。

突然我们意识到,它们之间的差别就在于,是否提前约定好了。

传统宝箱里面的蝴蝶精灵,是事先生成好的。

那么两个蝴蝶之间,肯定已经约定好了一套对应的方案,它们才可能做到完全互补。

那么蝴蝶们需要约定好几套方案呢?

因为蝴蝶身上有三个部位可以变化颜色,那么我们排列组合一下就知道,总共需要八套方案。

传统宝箱的八套方案

也就是说,如果是传统宝箱的生成方式的话,那么两只蝴蝶精灵,必须先定好用这八套方案中的某一套,来生成各部位的颜色。

一旦定好就不能更改了。

而量子宝箱不同。

量子宝箱里面的蝴蝶,是先不定好颜色方案的,等着开箱的时候,再随机同步生成。

换句话说就是,量子宝箱里面的蝴蝶,处于一种什么情况都可能存在的叠加态中。

在打开宝箱之前,它是没有具体颜色的。

必须等到观测的时候,才会给出它的具体颜色。

那么就算这样,两者有什么区别呢?

我们来另辟蹊径一下。

我们不去关心,AB 宝箱的蝴蝶,相同部位之间的对应关系。

我们来关心一下,AB 宝箱之间蝴蝶,不同部位之间的对应关系,会不会发现什么呢?

首先,我们假设是传统宝箱,那么如果我们看 A 宝箱的蝴蝶的触角和 B 宝箱的蝴蝶的翅膀和身体之间的对应关系。

因为传统宝箱里,两只蝴蝶之间的对应关系,一定是八套方案中的某一种。

我们先不看方案 1 和方案 8,它们是全相反的。

我们先看下方案 2。

方案 2 里的对应关系

在方案 2 里,当 A 触角是黑的时候,对应着 B 宝箱的白翅膀和黑身体,而黑翅膀则对应着白触角和黑身体。

三个部位列举完,我们会发现有 1/3 的情况,不同部位的对应关系是相反的。

而且,我们会发现,另外 5 套方案里也会是这样。

除了第 1 和第 8 套方案之外,剩下的 6 套方案中,这个对应规律都是存在的。

这就是事先商量好造成的一个简单的数学特征,这个特征是可以用统计方案发现出来的。

比如我们开一万次宝箱,每次都统计不同部位之间的对应关系。

那么如果这是传统宝箱的话,这个不同部位颜色的对应关系一定是严格按照 1/3 的相反概率出现的。

如果不是,那就有鬼了。

那么,算上第一和第八套方案里面一定相反的概率,任何一对传统宝箱里面 A 箱蝴蝶的头部对应 B 箱身体和翅膀颜色的相反比率,一定是高于 1/3 的。

这就是我们总结出的,一条适用任何传统宝箱的简单数学规律。

而这条规律,其实就是和贝尔不等式一样的原理。

只不过贝尔不等式观察的是粒子的自旋方向在 XYZ 三个轴上的对应关系而已。

总之,我们知道发生纠缠的粒子,无论怎样观测,它们在每个轴上的自旋方向都是完全相反的。

但是是不是之前它们在发生纠缠的时候就商量好的呢?

我们就可以用刚才这个办法,来检查它们之间,有没有一套约定好的互补方案。

如果有,就一定能从不同维度的自旋方向的关系上,发现存在既定概率。

如果没有,那么这个概率关系,就一定不符合贝尔不等式。

然后,科学家们就做了很多次纠缠粒子实验来检验,发现实验结果,不符合贝尔不等式。

你看,问题果然不简单吧。

量子宝箱里的俩粒子,居然能跳出所有可能组合方案而存在。

这已经完全不能用常识来解释了。

贝尔当年为了粉爱因斯坦想出的巧妙方法,现在终于成功地否定了爱因斯坦的想法。

也不知道爱因斯坦如果知道,会是什么感受。

不过玻尔,肯定是很满意的。

但是,整个物理学界的感受都是不太好的。

因为还有很多科学家都抱着和爱因斯坦相似的想法,认为我们的世界不会发生这么荒谬的现象。

但是一次又一次的实验证明,我们的世界,就是这么荒谬!

贝尔不等式不成立从感性上理解,到底意味着什么?

意味着,我们的真实世界,居然能实现和游戏世界一样的奇怪事情。

在游戏世界里,我们如果把两只量子宝箱,分开极其遥远的距离,比如说一百万光年。

在开箱观测的一瞬间,宝箱还是可以同步生成完全互补的精灵。

这个同步过程是不需要消耗时间的,所以看起来就好像是两只箱子发生了超光速的联系一样。

可是在游戏世界里,不等式可以被违反,是因为游戏里的空间距离都是虚拟出来的,并不真实存在。

代码机制,可以轻易地设定虚拟空间中的任何位置粒子的属性。

可为什么我们的真实世界里也有这样的特征?

这当然是一件细思极恐的事情。

贝尔不等式看上去很简单,其原理也的确很简单,但是却是现代物理学最重要公式之一。

因为,这个看起来不起眼的不等式,是人类认识到的量子世界和经典世界之间,最明确的数学区别之一。

这个式子如果成立,那么量子世界其实就不存在。

一切量子现象背后,其实是某种经典规律在起作用,对于整个量子理论我们都要重新理解。

但是如果式子不成立的话,那么说明量子世界就是真实存在的。

我们需要认识到,在微观世界里,必须放弃脑袋里的那些经典的形式逻辑,接受并承认那些诡异的量子现象。

由于这个不等式,不仅把量子世界和经典世界的差异,表现得那么明确,而且还非常有利于转化为实验进行验证。

所以自从贝尔提出了这个神奇的不等式之后,科学家们就开始孜孜不倦地设计各种各样的实验,来尝试验证这个不等式是否成立或者不成立。

2022 年的诺贝物理学奖,也正好就授予了三位在验证贝尔不等式过程中,做出了巨大贡献的物理学家。

约翰·弗朗西斯·克劳泽(John F. Clauser),阿莱恩·阿斯派克特(Alain Aspect)和安东·塞林格(Anton Zeilinger)。

而安东·塞林格,也是我国著名量子物理学家、科学院院士潘建伟的导师。

三位杰出的物理学家分别在 1972 年、1982 年和 1998 年,用越来越严密的实验验证了贝尔不等式不成立。

但实验始终还不够完美。

这些实验,虽然也得出了结论,但是因为在实验设计上总有一些不完美的地方,会带来各种可能的漏洞。

于是科学家一遍又一遍地改进实验的方式。

在不断改进很多次以后,实验终于越来越接近完美理想的条件了。

也就是说,已经把实验可能存在的漏洞,逐渐都堵上了,现在的实验结果,已经几乎具有了绝对可靠的说服力了。

无数次实验的结论也很清晰:量子现象真实存在,不容置疑。

1982 年,贝尔不等式得到 Aspect 等人验证,量子理论胜出。

但这些实验中存在漏洞。

首先是局域性漏洞:两个纠缠的光子距离太近,对贝尔不等式的违背,有可能是靠某个不大于光速的通讯通道来实现的,而非源自量子理论非局域性。

其次是测量漏洞:这些实验是用光子做的,光子探测器效率不够高(阈值是 82.8%),不能排除测量漏洞。

从 Aspect 验证贝尔不等式开始到现在,三十多年过去了。

人们在光子、原子、离子、超导比特、固态量子比特等许多系统中,都验证了贝尔不等式,所有的实验都支持量子理论。

有部分基于光子的实验排除了局域性漏洞,可是受限于光子探测器效率,没有排除测量漏洞。

有部分基于原子或离子的实验,由于对离子能级探测效率接近于 1,排除了测量漏洞,但没有排除局域性漏洞。

到目前为止还没有一个实验能同时排除局域性漏洞和测量漏洞。

最新的研究是荷兰 Delft 技术大学的汉森研究组做出的。

他们在 2021 年公布了一篇实验论文,报道了他们在金刚石色心系统中完成的验证贝尔不等式的实验。

之所以选择用金刚石色心来做这个实验,有以下几个原因。

首先,色心所发出的光子在可见光波段,在光纤中传播损耗非常小。

其次,探测色心状态所需要的时间很短,只要几个微秒。

因此,要避免局域性漏洞,只需把两个金刚石色心放置在相距 1.3 公里的两个实验室。

利用纠缠光子对和纠缠交换技术,他们实现了金刚石色心电子之间的纠缠。

两个色心直接用光通讯所需时间大概 4.27 微秒,而完成一次实验的时间为 4.18 微秒,比光通信时间少 90 纳秒,因此解决了局域性漏洞。

此外,色心的测量效率高达 96%,测量漏洞也被堵上了。

总之,他们声称实现了无漏洞的验证贝尔不等式的实验,在 96% 的置信度(2.1 个标准差)上支持量子理论,从而证伪了局域的隐变量理论,再次否定了贝尔不等式。

自此,贝尔不等式不成立已经成为了整个科学家的共识,也就是说,我们这个世界的本质的的确确就是量子化的。

当然,这会给我们带来更多的未知。

不过,我们至少现在已经能很成功地分辨两类宝箱的差别了,我们完全能够通过观察开箱后蝴蝶不同部位的颜色相关性统计数据来判断,这组宝箱究竟是量子宝箱还是传统宝箱。

而且,我们还更进一步的发现,任何量子宝箱一旦打开过以后,这个宝箱就马上变成传统宝箱了,你就算把蝴蝶再装回去,这个宝箱也不会再变成量子宝箱。

其实这也很好理解,用我们的程序员思维来看,量子宝箱里的蝴蝶之所有表现出那么优美的对称性,其实就是因为它们是刚刚被成对生成出来的,它们只有再生成的一瞬间才能展现出完美的对称感。

等到后面,你再怎么摆布这些已经生成好的蝴蝶,也无法再获得那种对称感了。

而且我们用程序刷新出这对蝴蝶这个过程也是不可逆的,所以只要蝴蝶已经被程序生成出来后,它就不可能再变回成为一段代码,不能被再原样生成一次。

那么,量子宝箱也就变成了一个传统宝箱,永远也不可能再变回成原来的状态了。

所以,量子宝箱其实是一种一次性的宝箱。

这个技巧很快就被大家用来判断某个量子宝箱是否被人打开过了,因为量子宝箱只要打开过一次,那么它就蜕变成了传统宝箱,我们就可以用观察蝴蝶行为的方式判断出它不是量子宝箱,它已经被人打开过了。

大家还发现,量子宝箱的这种神奇特性非常安全,它几乎是无解的,没有任何人有办法把打开过的量子宝箱还原回去,就像我们不能把一段程序运行得到的结果再变回成一段程序一样。

那么量子宝箱的这个神奇的特性可以用来做什么呢?

于是有人马上想到了,我们如果把一张写给别人的字条也同时放在量子宝箱里,那么不就可以防止别人偷看了么。

因为,任何人想偷看量子宝箱里面的字条,就必须打开宝箱,但是只要量子宝箱被打开过了,那就无法还原回去了,这样收到宝箱的人通过判断宝箱是否被打开过就可以知道里面的纸条是否被别人偷看过了。

这样,量子宝箱可以成为一种游戏中绝对安全的「邮件封印」,就像古代的火漆封笺一样,一旦封上就可以保证里面信息的绝对无法在不破坏封印的前提下被别人看到。

只不过火漆可以有办法伪造,量子宝箱却绝对伪造不了。

量子纠缠就是最好的信息封条

不过,从我们上面的比喻来看就知道,想要知道宝箱是否被打开过,光看一只宝箱里的蝴蝶是不够的,需要对比两只宝箱才可以。

也就是说使用量子宝箱来进行安全通讯,我们就还需要一条传统渠道来传递并对比两个宝箱的开箱状态,所以哪怕宝箱是同时打开的,是否安全还得等传统方式得情报传来再对比后才知道。

我们上面讲述的这个虚拟世界游戏的例子,其实大家都看出来了,这就是对应着量子纠缠和由此发展而来的量子加密通讯技术的基本原理。

量子宝箱就是象征着处于纠缠态的量子对,传统宝箱则是普通的粒子对。

开宝箱的过程其实就是我们的观测行为。

所以,所谓量子加密,并不是一种无法解开的加密算法,而是利用纠缠量子来搭载传递信息,这样就可以保证信息的安全性,接受者能准确无误的知道自己是否是信息的第一个阅读者,而且不用担心有人伪造了量子态。

量子加密通讯其实传递的还是经典信息,信息传递速度也并没有超越光速,也同样有可能被窃听,只是无法被不察觉的窃听而已。

我以前讨论过的测量,介绍了利用量子的测量特性进行的保密通讯方式。

基于量子纠缠则是另一种安全方案,这也同样是一种具有相同安全性的通讯方式。

量子加密的安全性其实是来自于量子纠缠的状态是无法被模拟的。

处于纠缠态的量子对在被观测的时候,这一对粒子的状态才同时确定(你也可以说是同时生成),而且它们一切的状态一定都是相反互补的,这种互补性用传统的粒子对无论如何也模仿不出来的。

这种差别也就是 J·贝尔用数学描述出来的贝尔不等式所表达的含义。

科学家为了验证这种互补性确实存在,已经做过了无数次的试验,他们把纠缠态的光子对分开几万公里,甚至在太空中找到分开更远的纠缠粒子,反复测量它们的行为,每一次都证明了贝尔不等式是不成立的。

这种现象放在现实里其实是非常令人难以理解的,因为两个纠缠粒子在物理距离上已经相隔千万里之外了,但是它们依然能保持超越时空的协调性,而且绝对不是简单的角动量守恒能解释的,它们表现得就像完全没有被分开一样。

爱因斯坦在输给玻尔之后,还是一直对这种令人费解的现象感到不可思议,甚至爱因斯坦的后半生时间都一直在和量子世界的这些现象斗争,他试图用传统的方式能解释这一切,但是直到最后也没能成功。

爱因斯坦为了表述自己对宇宙客观实在性的坚定信仰,曾经说过一句很有名的话:「我不相信上帝会掷骰子!」

当然爱因斯坦并不是用这句带有宗教色彩的话来表明自己相信神,他只是在表明自己坚信宇宙万物都是客观实在的,所以一切事物的发展都是可以预测的,我们暂时预测不了只是现在掌握的信息不足或者认识的规律还不够而已,理想情况下,未来没有不确定性存在。

但可惜信仰很丰满,现实却很残酷。

现实中各种验证量子现象的物理实验一次又一次地证明爱因斯坦是错的。

量子行为的确无法预测,而上帝,真的是在掷骰子。

你可想象现实是多么令爱因斯坦沮丧,但玻尔甚至还落井下石,回应爱因斯坦说:你别去指挥上帝该怎么做!

玻尔和爱因斯坦

要知道,爱因斯坦当年创立出的伟大的相对论就是依靠着定域性和实在性才能成立,而相对论在宏观上同样也被证明是对的。

物理学的两大著名理论彼此矛盾,但是居然都是对的,量子理论在微观领域被证明是适用,而相对论在宏观领域也被证明是适用的。

这令大家有没有想到什么?

其实物理学上这一幕已经发生过了,就是所谓的「黑体辐射问题」,当年也是两套理论彼此矛盾,但却在两个不同的范围内分别适用。

总之,人们目前想要统一这两大理论体系还是非常非常困难的,以至于直到现在还没有任何人能做到。

所以这也是当前物理学最前沿的目标之一。

但是科学家们都知道,每当发生传统的旧理论之间出现冲突,单靠修修补补不能解决问题的时候,这往往预示着物理学即将发生重大变革了,往往是需要一个全新的理论体系某一天突然横空出世,然后完全重塑并拓展整个物理学框架,才能彻底解决这些旧有理论留下的恩恩怨怨。

而这个理论,也就是科学家们所期待已久的所谓的「大一统」理论。

很多科学家认为,人类一旦掌握了能调和相对论和量子力学的大一统理论,那么整个物理学将进入一个新的境界,人类的科技水平也将随之产生飞跃式的进步。

这听起来似乎就不是我们普通人该操心的事吧。

不过我们的量子旅游专列就是会带大家体验体验这种超值的享受,在现实中人类最顶尖科学家也难以做到事情,在虚拟世界里我们却可以通过放飞思维、大开脑洞的办法,让我们普通人也能尝试理解人类顶尖智慧都无法解释的问题。

你看,如果是在虚拟世界里,量子纠缠的种种神秘现象也就不再稀奇了。

在虚拟世界里,我们把所有的粒子在非观测状态都假设成为一段代码函数,而两个纠缠的量子其实就是重新编码在一起的同一个波函数而已,只不过区别就是这是一个「双子函数」,我们如果运行这个双子函数可以一下得到两个粒子的数值。

如果是这样的话,纠缠态的两个量子为什么会如此同步就非常好解释了,因为它们本来就是同一个函数输出的两个互补的运算结果嘛。

这种运算行为和距离无关,无论这两个粒子在物理距离上被分开多么遥远,它们在本质上还是属于同一个波函数,只有当我们观测其中一只的时候,这个波函数就瞬间被执行并输出了一对结果到两只粒子上。

所以,另一只的状态马上就得到确定了,而且两只粒子的状态一定是绝对,完全互补的,因为它们都是刚刚从同一个波函数里生成出来的,也这种刚刚刷新的互补状态才能符合贝尔不等式的数学约束。

所以,贝尔不等式实际上正好证明了这两个粒子是在观测时候刚刚同时产生的,而不是事先就有的,因为事先就有的两个粒子无法在经过长途传输之后还能保持如此一致的协调性,也无法符合贝尔不等式的约束。

爱因斯坦说,如果量子物理是自洽的,那么世界的定域性和实在性我们必须放弃一个。

而爱因斯坦一直都坚持两者都不肯放弃,因为他的相对论就是依靠两者而成立的。

所以他只能转头试图证明量子物理本身是不自洽的,他提出了一个又一个的佯谬企图推翻量子理论,可惜他并没有成功,他所提出的那些佯谬后来反而都成为了反证,令量子物理的基础越来越坚实,而这也成为了爱因斯坦晚年一直未能释怀的问题。

那么我们如何看到虚拟世界里面定域性和实在性呢?

如果从虚拟世界的角度来分析的话,这种虚拟世界背后的程序关联性才是纠缠粒子之间的神秘协调性的根本来源。

那么,这定域吗,似乎虚拟世界还是保持了定域性的,因为信息的传递并没有超越光速,波函数的坍缩并不算传递信息。

那么,这实在吗?

这似乎受到了挑战,我们能说一段代码在被执行前,它的输出结果就存在吗?

这就像询问玩家,在你进入地图前 BOSS 存在吗一样。

玩家必须回答说不知道,也就是说粒子在被观测前其具体属性是不实在的,只有概率可能。

所以,我们采用虚拟世界的视角解读世界的时候,实际上就是放弃了物质世界的实在性,而坚持世界是定域的。

我们这个虚拟世界里面规定了,任何信息的传输速度不会超越光速,光锥之外物体之间绝对不能互相影响,但是这些物体并不实在,它们的本质都是代码,而不是结果,你不观测它们的时候,它们连属性都不客观存在,所以也只有这种不客观的属性才让纠缠量子之间能有看不见的底层联系来协调彼此的属性,所以它们才能在被观测的时候跨域关联但却又不破坏定域性。

你看,我们对我们所构建出来的虚拟世界的认知又进了一步,我们现在知道我们的虚拟世界是定域但不实在的,我们放弃了实在性但是维护了定域性以保证宇宙最大光速的可靠,相对论依然还是成立的,量子物理也还是成立的,它们在虚拟世界里终于化解了矛盾,实现了统一。

怎样,这是不是神奇的视角?

只可惜爱因斯坦当年还没有网络游戏,他并没有见过并不实在的虚拟物体是怎样的,否则说不定他可能会改变下自己的看法。

不过,我们还留下了最后一个问题。

为什么如果这个世界是虚拟的,就会出现纠缠现象呢?

换句话来说,为什么创造我们世界的程序员非要把 N 个粒子共用一个波函数来表达呢?

其实对于这个问题我们可以去请教一下现实世界的资深码农。

你询问任何一位有经验的码农,他都会告诉你,这种做法很自然很正常啊,我们开发任何软件的时候,如果能用不同方法实现相同甚至比较相似的体验,那么一定要采用最简洁和最节省资源的做法,如无必要,勿增开销。

这几乎是程序员们的至高信条,任何有经验的程序员都知道不要过多去关心某些刁钻用户的古怪需求,或者为了防止某些技术黑客对系统的各种细节变态探究而花费过多精力。

一个优秀的开发工程师知道更应该关心的是如何用更简单的做法满足好 99% 的普通用户的正常需求,而不是浪费太多时间在极少数用户身上。

只有那些没经验的新手菜鸟,才会为了对付这些难缠用户去多花费掉 N 多倍的资源和精力。

如果被技术总监发现居然把系统弄得如此臃肿,那肯定少不了要挨骂重写。

愤怒的老板

所以,对于模拟虚拟世界的粒子来说,既然多个粒子发生了纠缠,那么程序员把它们简化合并,用一个函数来精简处理以尽量节省资源也就是很正常很合理的做法。

如果我们从游戏设计的角度来看,这种作法其实运用的也非常普遍。

一个最常见的运用就是在 SLG 类型的战略游戏中,当游戏设计师希望表现出一个军团方阵的时候,就会把组成方阵的很多士兵当做一个对象来处理。

这样就可以简化计算,同时也保持良好的方阵队形。

全面战争游戏中的军团阵列

这些被当做单一单位处理的电脑士兵集群,其实就是一种处于纠缠状态的个体集合,它们会保持一致的行动,一致的方向,接受一致的命令,如果它们在地图上不慎被分开了,它们依然会保持相当高的行动一致性,因为它们在计算逻辑上依然是一个整体。

万国觉醒中的军团单位

这种计算逻辑上处于纠缠状态的集合体,无论它们其中的某些个体分开多远,你都可以察觉到它们远超其他分散个体的一致性,你可以很容易把它们和零散的个体单位区别开,无论我们如何操作零散的个体,我们都无法达到纠缠的集合体之间那么高度的协调性,除非我们用某种方法把它们拆散出来。

不过大多数游戏里面没有这个功能,因为很明显拆散它们会给系统带来更多不可控的计算量。

不过,我们的现实世界明显是可以这么做的,我们这个宇宙虽然无时无刻不再节省算力,但并不意味着它会小气到我们写游戏的地步,否则我们发现的就不是量子纠缠现象,而是量子融合现象了。

不过拆散量子纠缠系统最大的问题并不简单只是增加开销,而是会在某些情况下给我们带来认知困惑。

本来把纠缠粒子用同一个函数进行计算,大多数情况下一般也不会产生什么奇怪的问题。

可是偏偏有一些超爱折腾的科学家们,他们就好像那些刁钻的用户一样,一旦发现了疑点后就开始尝试各种手段去折腾纠缠的粒子系统。

直到某次实验中,科学家发现如果把发生纠缠的粒子分开引导到相距遥远的地方,结果就发现了它们超距瞬间协调性 的问题,这就引起了科学家们的极大兴趣了。

其实就像我们的 SLG 游戏一样,虚拟游戏里本来空间就不是真实存在的,构成整个世界的只是计算逻辑和时间序列,而空间则是用画面模拟出来的。

所以当科学家们把纠缠粒子在物理上分开之后,并不会改变在系统逻辑里它们还是由同一个函数计算的事实,所以当最后科学家们用观察的手段让纠缠粒子被迫退相干的时候,系统当然无视虚构出来的空间距离,瞬间分别完成了相距遥远的粒子状态的分别结算赋值。

系统的这一操作其实就把我们这个世界的空间假象给暴露出来了:原来当系统需要完成必要逻辑结算的时候,无论多远的空间距离其实都丝毫不会产生任何阻隔,因为这种结算操作本质上并不是一种运动,也不传递任何信息,所以自然就没有任何速度上的限制。

你看,我们的科学家是不是就好像那些刁钻的黑客用户,通过各种极端实验,把系统算法的逻辑漏洞全给暴露出来了,这才让我们发现了这个世界底层的各种荒谬之处。

而他们就好像是在网络游戏里发现了世界贴图底下的模型真相的调皮玩家,又惊奇又诧异,还围绕这些穿帮现象争论不休。

其实从技术角度来说,造物主的这种做法只是节省算力资源的常用编程手段而已。

而且你仔细观察就会发现,其实我们这个宇宙的创造者一直在坚持这样的原则:希望用尽可能少的函数(代码)来表达尽可能多的现象。

双缝干涉如此,延迟选择如此,粒子全同性是如此,纠缠现象也是如此。

各种实验都一再证明了我们这个宇宙系统总是能省就省,只要不观测就绝不会增加函数的调用,哪怕事后会造成各种存在逻辑悖论的现象也并不在意。

毕竟,谁敢质疑上帝呢?备案号:YXA13xbkLkyH3Nr4dngcvRv0


赠人玫瑰,手有余香
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