超距作用的实验证明
1928 年出生于爱尔兰的贝尔,1964 年发表论文证明了爱因斯坦提出的 EPR 佯谬错了,鬼魅般的超距作用真的存在,不过 1972 年才有人通过实验证明了贝尔的理论。
贝尔的理论指出,要证明这个超距作用,需要有一个 4% > 1% + 1% 的等式成立。
1972 年有人做成了实验证明了鬼魅般的超距作用的存在。
用一个实验作为解释:
- 一个装置向两个方向发射小球,颜色是随机的
- 两个人带着墨镜观察小球的颜色,观察到的小球颜色分别有 1% 的误差
- 加在一起的误差应该是不大于 2%,不过最后得到的误差却是 4%
- 说明两个小球存在一个超距的协调作用,发现有人观测,就按照 4% 的误差改变了颜色
超距作用的两个粒子的自旋是相反的,一个是正的,另外一个就是负的。粒子的自旋是在被观测的那个瞬间才被确定的。
粒子协调的速度要大于两倍光速。
两个粒子由同一个波函数描写。
波尔一派对这个现象的解释说,虽然是距离很远,但还是一个整体。但这番话更像是在诡辩,薛定谔嘲讽的说这两个粒子”纠缠“在了一起。后世的人把这个鬼魅般的超距作用叫做”量子纠缠“。
波函数什么都知道
波函数有超越空间的感知能力,它可以知道全局的设定,根据这个感知去选择自己任何行动。
有一个难题:如何在不接触(光子也不能接触,也就是无法直接观测)一个炸弹的情况下感知到它的存在?
量子力学通过”伊利泽-威曼德炸弹测试“完成了这种不需要任何相互作用的探测。
用现在改变过去
- 量子纠缠实验证明波函数有超越空间的感知能力
- 延迟原则实验证明了波函数有超越时间的感知能力
- 一个光子从十亿光年外发过来
- 你接收到的时候进行测量,电子会呈现粒子性
- 而如果不测量,直接打到屏幕上,会呈现波动性
- 观测让波函数坍缩,这时候光子才表态,呈现粒子性还是波动性
你眼中的现实和我眼中的现实
- 波函数的坍缩是因为观测,观测让波函数的”既...又“的波动性坍缩成了”或者...或者...“的粒子性
- 波函数的本质:波函数是两个状态的叠加
- 物理学家一直无法解释波函数为什么会坍缩,甚至说是人的意识让波函数坍缩,导致观测结果不一样,然而人们会质疑说,这样世界不就没有客观性了吗
- 维格纳的朋友实验:维格纳的朋友在观测光子,维格纳将光子和他的朋友放在一个波函数中,这样看起来也是对的,这个实验说明两个实验者对同一个事件可以有不同的观测结果。量子力学给我我们质疑”客观现实“的动力
猫与退相干
- 相干(coherence)
- 相干态:一个粒子走过双缝,走左边和走右边的两个状态会相干,所以有干涉条纹
- 相消干涉:如果让粒子的两个路径保持一半的相位差,就可以导致干涉消失
- 纠缠:两个纠缠的粒子如果被观测到有某个自旋,这时也确定了另外一个例子的自旋
- 退相干(decoherence)
- 原本能发生干涉的粒子收到了干扰,变得杂乱无章,就是退相干
- 粒子数目越多,退相干发生的越快
- 所以宏观物体看不到叠加态,不是因为没有,而是因为退相干发生的太快了,看不到
- 这解释了薛定谔的猫
宇宙如何无中生有
- 量子力学的最大用处就是宇宙的产生
- 宇宙的产生是从无到有的过程
- 有两个解释比较流行
- 霍金和詹姆斯哈特尔的无边界提议(no-boundary proposal)
- 开始宇宙处于量子叠加态
- 然后波函数坍缩,时间开始了
- 先是虚的时间,然后变成真正的时间
- 然后是暴涨
- 最后演化出万事万物
- 我们的宇宙只是众多宇宙历史中的一个
- 这个理论的缺点:保留了太多可能的宇宙
- 优点:提供了无中生有的机制
- 阿兰古斯的暴涨理论
- 量子力学认为没有绝对的真空,哪里都会有一点能量
- 局部的真空(假真空)衰变到全局的真空(真真空)的过程让宇宙起源
- 这个过程会让空间中的那一点获得一定的能量,从而提供了一个负压力,然后变成了”反引力“,宇宙开始暴涨
- 暴涨比大爆炸快得多,相当于多个大爆炸
- 空间拉开,引力提供了负的势能,根据能量守恒,要有一个正能量,这就是物质的起源
- 霍金和詹姆斯哈特尔的无边界提议(no-boundary proposal)
- 量子力学让宇宙产生的可能性不是太高,不会产生很多宇宙;也不至于太低,导致不能产生;宇宙比较均匀,各个地方都差不多,但又不是绝对均匀,因为这样就不能产生物质
- 宇宙起源的证据是”宇宙微波背景辐射“
量子通信祛魅
量子通信实际起作用的地方是做量子秘钥分发
alice 和 bob 通过纠缠的量子进行测量,可以获得一串 0 和 1 的值
通过随机改变对光子的测量角度。比如 alice 测量 1、3、5、6、8 次的时候用的是 0 度角,其它次测量用的是 30 的角度,bob 测量 1、3、4、7、9 次的时候用的是 0 度角,其它次测量用的是 30 的角度,然后打电话找到相同的测量角度,也就是第 1 和 3 次的测量结果应该是一样的。将这些角度下的测量值记录下来,这些值就是密码本。
通过任何的公开渠道传输密文,然后就可以通过密码本进行解密了
-
如何防止 eve 的窃听?
- 比如拦截 alice 的光子,然后发送给 bob 假的光子。通过利用贝尔不等式可以验证光子是否处于纠缠态,就可以保证不会被拦截和操纵
- 另外 alice 和 bob 只公开了测量的位置,也不怕被窃听
目前有几种秘钥交互协议,比如 BB84 和 E91
量子通信不能传输任意的信息,量子隐形传态只能传递几个粒子的量子态,不能传递物质,它本质上就是量子纠缠
量子通信有可能在 5 年内影响 RSA,但有很多加密方式不是用的 RSA,目前已经有几十种抗量子密码协议在研究
量子通信不能改变世界,因为它只是让十分安全的加密方式更加安全。现实场景中的泄密往往是人的问题,而不是技术问题
量子计算
量子计算的优势是可以进行概率一类的计算,也就是可以同时尝试很多种可能性。
计算机的底层数据都是由 bit 来表示的,bit 只有 0 和 1 两个值,3 个比特可以表示 000-111 八个值,也就是 2^3,如果需要存储这 8 个值,需要 8 * 3 = 24 bit 的空间,而量子计算机只需要 3 个 bit 就可以了。同样一个 bit 位量子计算中既可以表示 0,又可以表示 1,因为量子力学是概率的。
量子计算可以比较快的计算出质因数,所以会对 RSA 算法有影响,但是要真的产生威胁,还需要保证量子纠错才行,量子纠错需要为每个粒子配备 1000 个纠错粒子才行,从这一点看,量子计算不是下 1 步、而是下 25 步的事情。
量子计算机可以产生真正的随机数,哪怕只有一个量子比特也可以,而传统计算机只能使用伪随机数,生成多了还容易被找到规律。
google 2019 年做出来了一个 53 个量子比特的 cpu,并且专门设计了一个问题让它计算,这个问题是是从一个无规律的大的数字集合中计算出一个规律来,这个计算目前算力最多的计算机要计算上千年,而量子 cpu 只需要 200 秒。
所以量子计算机不是下一代计算机,它只是另一种计算机,可以完成一些特殊的任务。最适合的任务就是 google 设计的那样的运算,同时进行所有可能性的尝试,最终给出一个概率的结果。这种方式已经有应用了:
- 物理学家模拟复杂的物质结构和气体运动
- 化学家模拟分子行为和化学反应,这些可以用在制药上
- google 用在人工智能上
- 大众用在优化交通线路上
- 空客用在优化起降线路上
量子佛学
量子力学跟很多玄乎的东西都没有关系
- 佛学
- 真气
- 心灵感应
- 意识
很多论断甚至都不需要实验就可以推翻,直接用奥卡姆剃刀就能有更好的解释,比如心灵感应只是一个巧合。
卡尔萨根说:超乎寻常的论断需要超乎寻常的证据。
物理学的进化
- 质子和中子不是最小的结构,最小的结构是夸克,一共有 6 种夸克
- 质子和种子各自的三个夸克由强相互作用绑定在一起,多出的强相互作用又把质子和中子绑定在一起
- 范式转移由科学哲学家托马斯库恩(Thomas Kuhn)提出,表示科学共同体的某个基本观念的转变
- 1930 年,量子力学基本理论就已经齐备了
- 原子核里还有一种弱相互作用,一个粒子可以转变成另外一个粒子
- 量子电动力学认为,两个带电粒子之间是通过光子来发生相互作用的
- 量子场论认为,所有相互作用的场,都是以某种粒子的形态存在的,相互作用就是交互这种粒子。杨振宁用“杨-米尔斯定理”为量子场论做了关键贡献
- 电弱统一理论试图把弱相互作用和电磁作用统一起来
- 后来预言了希格斯玻色子,说宇宙中还存在着另外一个场,给电子之类的“轻子”和夸克质量。2012 年实验证实了希格斯玻色子
- 1970 年代,形成了统一三种相互作用的理论:标准模型(stardard model),说世界上的粒子只有三种:
- 感受相互作用的粒子
- 传递相互作用的粒子
- 希格斯玻色子
- 弦理论:认为基本粒子不是点状的东西,而是蜷缩起来的弦或者膜
- 1994 年,人们发现不同的弦理论是一种理论,称为 ”M 理论“(M-Theory)。M 理论预言世界不只有我们这一个
最后
量子力学的真相目前还是没有找到,我们不知道大自然是否允许我们继续寻找真相,甚至不知道这个世界是有一个真相,还是有无数个真相。