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“我那些物理專業(yè)的學(xué)生也不理解量子力學(xué)，因為我自己就不理解?！?/span> “我不相信上帝會擲骰子?！?/span> “如果能弄明白為什么會有量子糾纏，我立即死都愿意?！?/span> 你猜說這些話的人是哪幾位大咖？他們在說什么？——如果你感到困惑、匪夷所思甚至開始懷疑人生……這很正常，讀完本文你將知道，你和所有頂級科學(xué)家對量子世界的第一感覺是一致的。 然而，依然歡迎你隨“我報道”一起進入神秘又糾結(jié)的量子世界。本文是“量子衛(wèi)星”系列科普的第一篇，將著重講解量子世界奇妙的“量子疊加態(tài)”和奇異的“量子糾纏效應(yīng)”。
Q：量子是什么？？ A：它是微觀世界里最小的、不可分割的基本單位。 中國近日將發(fā)射的世界首顆量子衛(wèi)星，除了在建立量子通信網(wǎng)絡(luò)方面具有巨大應(yīng)用價值，還將為理解量子物理最令人費解的現(xiàn)象邁出重要一步。 據(jù)介紹，這顆衛(wèi)星的一大任務(wù)是實現(xiàn)星地量子糾纏分發(fā)，在青海德令哈和云南麗江之間，或者青海德令哈與新疆烏魯木齊之間，測試相距1200公里，被愛因斯坦稱為“詭異的”量子糾纏現(xiàn)象。 量子是微觀世界里最小的、不可分割的基本單位，比如，人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷墓?，就是由大量光量子組成的。量子世界以一種神秘、有趣的方式運行，量子有著許多不同于宏觀物理世界的奇妙特性，被認為是科學(xué)界最玄妙的話題，至今仍充滿爭議。  Q：如何通俗地描述什么是“量子疊加態(tài)”？ A：好比孫悟空的分身術(shù)，各個分身就像是他的疊加態(tài)。——by潘建偉院士 量子力學(xué)描述世界的語言與經(jīng)典力學(xué)有著根本的區(qū)別。經(jīng)典力學(xué)描述一個物體的狀態(tài)，會給出它的明確位置；量子力學(xué)描述一個微觀粒子的狀態(tài)，給出的則是疊加態(tài)——這個粒子在某些情況下既可能在這里，也可能在那里，沒有確定的位置。當(dāng)對其觀測時，量子疊加態(tài)將隨機地以一定的概率呈現(xiàn)不同態(tài)的性質(zhì)。 量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院院士潘建偉喜歡用“分身術(shù)”來比喻量子疊加態(tài)，“這就好比孫悟空的分身術(shù)，一個孫悟空同時出現(xiàn)在多個地方，孫悟空的各個分身就像是他的疊加態(tài)。” 潘建偉說：“在日常生活當(dāng)中，我要么在上海作報告，要么在北京作報告，我不可能同時在兩個地方講。但在量子世界，作為一個微觀的客體，它不僅在這里，也可以在那里，同時在好多個地方?！?/p> 描述量子疊加的最著名的思想實驗是量子理論創(chuàng)始人之一、奧地利物理學(xué)家薛定諤提出的，有關(guān)一只貓的實驗，因而被稱為“薛定諤的貓”。在這個假想的實驗中，一只貓被關(guān)在盒子里，盒子中還有一個原子核，它有50%的可能會發(fā)生衰變，而衰變將會放出一個粒子，粒子再觸發(fā)毒氣釋放裝置。在不打開盒子觀察的情況下，原子核處于衰變和未衰變的疊加態(tài)中，在這種狀態(tài)下，貓既是死的又是活的。 薛定諤是用這個假想實驗來強調(diào)量子理論所描述的“荒謬性”。根據(jù)量子理論，這只未觀測到的貓既是死的也是活的，直到你對它的觀察使得它要么死掉要么活著，二者擇一。
那只既死又活的貓總像噩夢一樣讓物理學(xué)家們不得安寧……
Q：為什么會有量子糾纏這么奇怪的現(xiàn)象？ A：誰知道呢…… 量子物理世界另一個奇異現(xiàn)象是糾纏效應(yīng)，量子糾纏可以把兩個或更多粒子的命運關(guān)聯(lián)在一起。在這一奇特關(guān)聯(lián)中的粒子“心心相印”，即使隔著一個太陽系，當(dāng)測量其中一個的狀態(tài)時，另一個狀態(tài)也會即刻發(fā)生相應(yīng)改變。 形象點比喻，這就如同兩張相距甚遠的紙張，人們在其中一張紙上書寫的時候，另一張紙上會立刻顯現(xiàn)出所書寫的信息。 愛因斯坦對這種“幽靈般的超距作用”嗤之以鼻，更愿意相信這背后有某種隱藏的物理作用。 然而，1972年，美國物理學(xué)家克勞澤等通過實驗證實，微觀粒子“遙遠的點之間的詭異互動”現(xiàn)象真實存在。 但是為什么會有這種現(xiàn)象呢？現(xiàn)在科學(xué)家也不知道。 如果你覺得量子物理太匪夷所思、難以理解，這是正常的，因為對于科學(xué)家來說，他們也有同感。 “當(dāng)你思考量子理論時如果沒有感到眩暈，”量子力學(xué)創(chuàng)始人之一——尼爾斯·玻爾說，“你就還沒理解它?！?/p> 驕傲而聰明的美國物理學(xué)家理查德·費曼對量子力學(xué)的理解比任何人都深刻，他曾寫到：“我那些物理專業(yè)的學(xué)生也不理解量子力學(xué)，因為我自己就不理解?！?/p>
愛因斯坦被公認為20世紀最偉大的物理學(xué)家——頗具諷刺地成為了量子理論的奠基者之一——他從來都不喜歡量子概率，還常說他不相信上帝會擲骰子。
美國諾貝爾獎得主穆雷·蓋爾曼把量子力學(xué)描述為“神秘的、令人琢磨不透的學(xué)科”，“我們誰都談不上真正理解，我們只是知道怎樣去運用它。”
量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉說：“如果能弄明白為什么會有量子糾纏，我立即死都愿意?！?/p>
許多物理學(xué)家相信，量子力學(xué)一定還有某些因素尚待發(fā)現(xiàn)。
天空是量子糾纏的極限所在嗎？
量子糾纏似乎能無視距離和光速的限制，在測量的一瞬發(fā)生詭異的互動。但在衛(wèi)星上，當(dāng)“同時”這個概念變得相對時，量子糾纏還能繼續(xù)實驗不敗的神話嗎？
潘建偉說：“我們有了（量子）衛(wèi)星之后，就可以在宏觀的距離上檢驗所謂的量子力學(xué)的非局域性?！?/p>
“對量子糾纏而言，在宏觀的大尺度距離上，會不會有什么變化，會不會受到引力的干擾，實驗上還是未知的。在衛(wèi)星的幫助下，我們可以對物理學(xué)的一些基本問題做一些基本探索和檢驗，可能有新的物理發(fā)現(xiàn)?！迸私▊フf。
他說：“物理學(xué)中，大家都追求突破極限，要不就無窮大，要不就無窮小。當(dāng)你有一種新的能力時，到達新的尺度區(qū)間，如果你發(fā)現(xiàn)對現(xiàn)有物理學(xué)偏離的話，新的物理就誕生了?！?/p> （編輯：高杉） |
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