著者：黃姤 / 黃媂

@太空生物學(xué) / @天體生物學(xué)

生活中，我們也許會(huì)有這樣奇怪的感覺：

• 比如，入秋的第1天早晨，你出門剛剛覺得有點(diǎn)冷時(shí)，這個(gè)時(shí)候你的媽媽打來電話催促你該穿秋褲了。

• 比如，你正在想你的女朋友時(shí)，她的電話就打過來了。

• 還比如，雙胞胎的其中一人受傷時(shí)，另外一人會(huì)莫名其妙地跟著也疼。

不知是巧合還是現(xiàn)實(shí)，有時(shí)明明相距甚遠(yuǎn)的兩個(gè)人、兩件事，突然就會(huì)有息息相通、不謀而合的情況，有人稱之為——心靈感應(yīng)。

科學(xué)家一般來說是不認(rèn)可心靈感應(yīng)的。長(zhǎng)期以來他們都認(rèn)為心靈感應(yīng)只是一種巧合，甚至是迷信，可是在「量子力學(xué)」領(lǐng)域，鐵一般的實(shí)驗(yàn)事實(shí)面前，科學(xué)家還不得不承認(rèn)一些比心靈感應(yīng)還要靈異的科學(xué)現(xiàn)象，這種科學(xué)現(xiàn)象就是——「量子糾纏」。

科學(xué)現(xiàn)象·「量子糾纏」

「薛定諤的貓」其實(shí)涉及的核心問題是量子的不確定性原理，有一個(gè)成語叫做“不自量力”，如果用在量子力學(xué)方面的話，我想它的意思應(yīng)該就是·不要妄圖以為自己懂得量子力學(xué)。

這是因?yàn)殡娮?、原子、光子這些微觀粒子的性質(zhì)，與我們?nèi)粘Ｉ钪兴佑|到的事物是完全不同的，這些差異有時(shí)可不僅僅是不能理解這么簡(jiǎn)單，是完完全全的不可理喻、不能接受，其中有一個(gè)很重要的方面就在于這些粒子的狀態(tài)是不確定的，這種不確定性是完完全全的不確定的。

無論你是“先知”還是“神仙”，在進(jìn)行具體的測(cè)量之前，你都不可能知道一個(gè)量子的確切狀態(tài)是什么，只能根據(jù)概率進(jìn)行推算。量子的世界就是如此這般，充滿了不確定性，你永遠(yuǎn)無法預(yù)測(cè)下一個(gè)某個(gè)微觀粒子的狀態(tài)，你只能知道的是，這個(gè)微觀粒子的某種狀態(tài)的概率是多少，僅此而已。

舉例說明：以電子的自旋為例

當(dāng)電子從磁場(chǎng)中穿過時(shí)，自旋有可能變?yōu)橄蛏稀⒁部赡茏優(yōu)橄蛳?，具體是哪種結(jié)果卻是完全隨機(jī)的，這種隨機(jī)是真正的隨機(jī)，在你對(duì)電子測(cè)量之前誰都無法得知它的狀態(tài)，這是因?yàn)檫@個(gè)電子的狀態(tài)實(shí)際上是在你測(cè)量的時(shí)候才能決定的。

當(dāng)年丹麥物理學(xué)家尼爾斯·亨利克·戴維·玻爾(Niels Henrik David Bohr，1885年10月7日-1962年11月18日)提出「不確定性原理」時(shí)，很多人是無法接受這個(gè)現(xiàn)實(shí)的，這其中就包括“愛波羅組合”，實(shí)際上這個(gè)組合是三位科學(xué)家，他們分別是愛因斯坦、波多爾斯基、羅森，“愛波羅組合”不肯相信波爾所說的——量子是隨機(jī)的。

于是，在1935年“愛波羅組合”聯(lián)合發(fā)布了一篇論文，論文中提到了一個(gè)非常著名的問題，這個(gè)問題被稱為「epr悖論」，「epr悖論」描述了這樣一件事情——有一天，有一個(gè)粒子本來好好地呆著，突然受到了外力作用一分為二，分裂成了A粒子和B粒子，分別向不同的方向飛去，越飛越遠(yuǎn)，根據(jù)「動(dòng)量守恒定律」，兩個(gè)粒子必然其中一個(gè)是左旋的，另一個(gè)是右旋的，或者相反。又根據(jù)「量子力學(xué)」的原理，在測(cè)量?jī)蓚€(gè)粒子的狀態(tài)之前，它們兩個(gè)都處于左旋或者右旋的疊加狀態(tài)之中。可是當(dāng)然兩個(gè)粒子越飛越遠(yuǎn)之時(shí)，測(cè)量A粒子的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)它是左旋的，此時(shí)B粒子必定是右旋的。

圖解：“愛波羅組合”

「量子力學(xué)」認(rèn)為粒子的狀態(tài)是在測(cè)量的瞬間決定的，因此只有在測(cè)量A粒子狀態(tài)的時(shí)候才決定它是左旋的，而相距甚遠(yuǎn)的B粒子在此時(shí)才能決定是右旋的?！噶孔蛹m纏」的關(guān)鍵點(diǎn)在于——A粒子和B粒子無論相距多么遙遠(yuǎn)，只要A粒子被測(cè)量出了顯示左旋或者右旋的狀態(tài)，那么B粒子一定就是相反的狀態(tài)。此時(shí)就會(huì)帶來一個(gè)令人困惑的問題，B粒子怎么能夠瞬間就知道A粒子被測(cè)量了呢？難不成它們倆聯(lián)系的速度已經(jīng)超過了光速嗎？

從宏觀的角度上來看，這種機(jī)制似乎違反了「相對(duì)論」的限制，任何物體都不可能傳播的速度比光速還要快，宇宙中怎么可能有比光速還要快的物質(zhì)和信息呢！從經(jīng)典物理的認(rèn)識(shí)上來看，量子糾纏就完全無法解釋得通嘛！當(dāng)年，多數(shù)人是不會(huì)相信量子糾纏的，誰也不相信兩個(gè)粒子竟然能夠瞬間產(chǎn)生如此遠(yuǎn)距離的作用，這不就是科學(xué)家一直摒棄的心靈感應(yīng)嗎？

但是近幾十年實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家通過種種的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)了，兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的粒子就是能夠瞬間感應(yīng)到彼此。如果您對(duì)上面的粒子理解起來有那么一絲絲的困難，我可以再舉另外一個(gè)例子，這個(gè)例子叫做“量子臭襪子”。

舉例說明：“量子臭襪子”

假如，你在家中是一個(gè)懶漢，襪子一穿就是幾天從來不洗，每次脫下來就是隨手一扔。有一天，你的媽媽在墻角發(fā)現(xiàn)了一只臭襪子，這只襪子已經(jīng)連續(xù)被你穿了好幾個(gè)星期，臭氣熏天，打個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋确骄褪浅舻亩寄茏约赫酒饋?，更重要的是?jīng)過你這么一穿，襪子已經(jīng)變得模糊、分不清左右了，它變成了一只“量子襪子”，而且是處于左腳和右腳疊加狀態(tài)的“量子襪子”，與這只襪子配套的，還有另外一只“量子襪子”，同樣臭氣熏天，同樣穿了好幾個(gè)星期，同樣也分不清左右了，處于左腳和右腳的疊加狀態(tài)。

不幸的是，在前一天的晚上，你家的狗實(shí)在受不了另外一只襪子的味道，把它扔進(jìn)了垃圾桶，你勤勞的爸爸剛進(jìn)家門就把垃圾給扔了，這另外一只“量子襪子”已經(jīng)送達(dá)了垃圾回收站。一對(duì)左右分明的襪子經(jīng)過你的這么一穿，由于腳氣的威力實(shí)在過于巨大，兩只襪子已經(jīng)都處于左腳和右腳的疊加狀態(tài)了，可畢竟兩只襪子是當(dāng)年一起買的，所以只可能一只是左的，一只是右的。因此當(dāng)你忍住臭味確定家中墻角的那只襪子是穿在左腳上的時(shí)候，與此同時(shí)垃圾回收站的另外一只就一定是右腳上的。

總之，兩只襪子就是這樣的狀態(tài)，兩者必須同時(shí)處于疊加狀態(tài)或者確定的狀態(tài)，當(dāng)一方的狀態(tài)確定時(shí)，另一方的狀態(tài)也隨之確定，并且當(dāng)其中的一只確定為左腳或者右腳之時(shí)，另一只一定會(huì)是右腳或者左腳，這兩只臭襪子當(dāng)對(duì)其中的一只仔細(xì)辨別發(fā)現(xiàn)是左腳時(shí)，另外一只必然是右腳的，無論它倆的距離有多么遙遠(yuǎn)，哪怕你的兩只襪子一只在天狼星上，另一只在半人馬座α星上，只要其中的一只襪子被辨別了左右，另外一只襪子就能夠瞬間地感受到這種效應(yīng)，變成了一只配套的單襪了。

上面就是量子襪子”的例子，為了更好地解釋「量子糾纏」，最重要的一件事就是理解——瞬時(shí)。

總結(jié)一下：所謂的「量子糾纏」指的是在「量子力學(xué)」的領(lǐng)域，具有糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子，無論相距多么遙遠(yuǎn)，都能夠以一種非常奇妙的方式糾纏在一起，瞬間共享它們的物理狀態(tài)，具有糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子，再遠(yuǎn)都沒有關(guān)系，只要其中的一個(gè)狀態(tài)發(fā)生變化，就好像它們彼此都在對(duì)方面前一樣。

量子糾纏使得「定域性」受到了挑戰(zhàn)

“愛波羅組合”的思想實(shí)驗(yàn)一經(jīng)提出，人們?cè)俅蜗萑肓松钏?，似乎有什么重要的定理又要被否認(rèn)了，經(jīng)典的物理學(xué)有三個(gè)基本假設(shè)，它們分別是「守恒律」、「確定性」和「定域性」。

「守恒律」

指的是，一個(gè)系統(tǒng)中某個(gè)物理量不會(huì)隨著時(shí)間的改變而改變的定律。

最簡(jiǎn)單的守恒律是1+1=2，這也是我們這個(gè)世界的基石，很難想象如果有一天人們算出來1+1 ≠2了，這個(gè)世界將會(huì)如何的崩塌。物理界的守恒律其實(shí)有很多，比如能量守恒、動(dòng)量守恒、角動(dòng)量守恒等等。

「確定性」

指的是，從經(jīng)典物理的規(guī)律出發(fā)就能夠得到確定的解。

比如，我們通過時(shí)間和速度相乘就能夠得到路程。

「定域性」

指的是，一個(gè)特定的物體只能夠被它周圍的“力”所影響，也就是說兩個(gè)物體之間的相互作用必須以波或者粒子作為中介才能夠進(jìn)行傳播，簡(jiǎn)單點(diǎn)來說，地域性就是指兩個(gè)物體不可能平白無故地發(fā)生相互作用。

可是當(dāng)我們接收了量子力學(xué)的不確定性后，就必須承認(rèn)在“愛波羅組合”的思想實(shí)驗(yàn)中，守恒律和定域性其中之一就要被否定了，量子力學(xué)在之前已經(jīng)表現(xiàn)出了對(duì)守恒定律的遵守，所以此時(shí)就不得不承認(rèn)「定域性」遭受到了挑戰(zhàn)，也就是說，兩個(gè)糾纏的粒子就算距離再遠(yuǎn)，也能夠瞬時(shí)給對(duì)方施加影響，如同心靈感應(yīng)一般不需要任何過程。愛因斯坦也覺得這件事情實(shí)在太過蹊蹺，當(dāng)年給它取了一個(gè)名字叫做—— 「幽靈般的超距作用」。

這里就會(huì)有一個(gè)重要的問題，量子糾纏使得「定域性」受到了挑戰(zhàn)，兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的粒子之前產(chǎn)生的作用，這種作用已經(jīng)超過光速了，難道相對(duì)論要失效了嗎？

當(dāng)然不是。

目前我們還沒有發(fā)現(xiàn)愛因斯坦相對(duì)論失效的證據(jù)，量子可以超光速，但是它不違背相對(duì)論，這是因?yàn)橄鄬?duì)論只限制了信息的傳播速度不能超過光速，宇宙中確實(shí)有一些超越光速的存在，比如宇宙的膨脹速度就可以超過光速，但是宇宙膨脹本身不會(huì)傳遞信息，所以不能說宇宙膨脹的速度超過光速就違背了相對(duì)論。

同樣的，量子之間存在超距作用，但是這種超距作用不會(huì)傳遞信息，在量子力學(xué)中兩個(gè)糾纏的粒子狀態(tài)是完全隨機(jī)的，測(cè)量所得到的結(jié)果也是完全隨機(jī)的，通過兩個(gè)遙遠(yuǎn)距離相互糾纏，粒子之間的同步變化所能傳遞的也僅僅只是一些隨機(jī)的信號(hào)，我們無法通過這些隨機(jī)的信號(hào)獲取任何有用的信息。

舉例說明：

「量子」就像一個(gè)不聽話的打字員，當(dāng)你想要給對(duì)方傳送一個(gè)零時(shí)，這位打字員卻偏偏不會(huì)這么做，一直在鍵盤上隨機(jī)地敲打，即使對(duì)方得到了一串字符，但這串字符中也不包含任何可用的信息。這是因?yàn)楦鶕?jù)定義來看，信息是能夠減少系統(tǒng)的不確定性的內(nèi)容，量子糾纏既然不能減少系統(tǒng)的不確定性，自然無法傳遞任何信息，也就不違反相對(duì)論了。

黃姤結(jié)語·「量子」究竟在糾纏些什么呢？為什么會(huì)產(chǎn)生量子糾纏呢？

也許你會(huì)說這是因?yàn)榱孔拥牟淮_定性原理，兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的粒子之前都處于疊加狀態(tài)，當(dāng)測(cè)量改變了它們的狀態(tài)時(shí)，它們的狀態(tài)需要同步地改變，那么你接著會(huì)問，為什么量子會(huì)有不確定性呢？測(cè)量量子狀態(tài)之時(shí)又發(fā)生了什么樣的事情呢？

恐怕這樣的問題誰也回答不上來了，科學(xué)家根據(jù)理論得到了很多結(jié)論，這些結(jié)論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合地很好，所以現(xiàn)階段我們就認(rèn)為這些理論是正確的。

根據(jù)量子力學(xué)的理論，推導(dǎo)出來了量子之間會(huì)產(chǎn)生糾纏，只知道這種糾纏和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得非常好，目前也只能做到這些，其實(shí)很多問題如果我們多問幾個(gè)為什么！問題就會(huì)沒有答案。

比如牛頓的蘋果為什么會(huì)從樹上掉下來這個(gè)經(jīng)典的問題，你會(huì)說蘋果從樹上掉下來是因?yàn)槿f有引力，地球在吸引著蘋果，那么我問你為什么會(huì)有萬有引力呢？你會(huì)說這是因?yàn)閺V義相對(duì)論，有質(zhì)量的物體會(huì)使時(shí)空彎曲，那我問你為什么有質(zhì)量的物體會(huì)使時(shí)空彎曲呢？這個(gè)問題恐怕就連愛因斯坦也無法回答了，我們只能告訴你，這個(gè)理論是由愛因斯坦提出的，它和多數(shù)的實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)結(jié)果符合得非常好，在現(xiàn)階段我們就是認(rèn)為廣義相對(duì)論是正確的。

事實(shí)上，只要我們針對(duì)某一個(gè)簡(jiǎn)單的問題一直追問下去，不出幾個(gè)回合就達(dá)到了人類目前認(rèn)識(shí)水平的極限，所以對(duì)于量子糾纏所產(chǎn)生的最深層次的原因，其實(shí)誰也不知道，我們只知道反正目前世界上所有的實(shí)驗(yàn)室所做出的實(shí)驗(yàn)都認(rèn)為量子糾纏是確實(shí)存在的。

有人認(rèn)為，量子糾纏其實(shí)是兩個(gè)量子在高維度空間的零距離，我們看到的三維空間只是這個(gè)高維空間的投影，這種說法嚴(yán)格意義上沒有什么毛病，但關(guān)鍵點(diǎn)在于這種說法在現(xiàn)階段很難去證明，也很難去證偽，因?yàn)楝F(xiàn)階段甚至連高維空間長(zhǎng)成什么樣都無法得知，更何況去驗(yàn)證它呢！所以對(duì)量子糾纏這種鬼魅一般的效應(yīng)，在現(xiàn)階段我們只能接受就好了，至于為什么會(huì)糾纏！怎樣糾纏！糾纏什么！目前來說誰也不知道，我們只能留給后來人了。