深度长文:量子纠缠可达光速的10000倍,难道违反相对论了?

宇宙时空探索 2023-12-14 15:17:40

科学家们早就发现,量子纠缠的速度远超光速,甚至可以达到光速的10000倍,这是否意味着量子纠缠这种现象违反了相对论,违反了光速限制呢?

当然不是,如果量子纠缠真的违反了相对论,意味着相对论早就被推翻了,也就不可能成为现代物理学大厦的两大基石之一。

那么到底怎么回事呢?量子纠缠明明超光速了,为什么没有违反相对论中的光速限制呢?

先来了解一下量子纠缠的概念。

其实,量子纠缠是没有速度的,它只是一种量子世界的固有属性,当然我们也可以通俗理解为量子纠缠是瞬间作用的。

到底什么是量子纠缠呢?

物理学上是这样定义的,当两个或多个微观粒子发生相互作用之后,单个粒子的性质就消失了,只能表现出整体属性,这就是所谓的量子纠缠或者量子缠结。

由于表现出来的是整体属性,就意味着无论两个或多个粒子相距多远,哪怕是理论上的无穷远,粒子之间的纠缠态仍旧存在,仍旧可以瞬间感应到彼此。

具体来讲都有哪些纠缠特性呢?最常见的就是自旋方向。比如说两个纠缠中的粒子,某个粒子自旋方向朝上,那么另一个粒子的自旋方向就是朝下。

当我们没有观测时,两个粒子的自旋方向都处于“既朝上又朝下”的叠加态,至于为什么会这样,科学界至今也不能给出明确解释。当我们观测其中一个粒子,发现粒子的自旋方向为朝上,那么另外一个粒子的自旋方向就会瞬间从“既朝上又朝下”的叠加态,坍缩为“朝下”,我们根本不用观测,就知道另一个粒子的自旋方向。

而且,不管两个粒子相距多远,那么分别位于宇宙的边缘,这个过程都是瞬间完成的。

可以用我们宏观世界的物体来试着理解量子纠缠现象。

比如,有一副手套,分别装在两个密封的箱子里,在打开箱子之前,我们并不知道箱子里到底是左手套还是右手套。接下来把这两个箱子分别放在相距1000光年的两个地方。

我们打开其中一个箱子,发现是左手套,那么我们立刻就知道1000光年外的箱子里肯定是右手套,理论上不用花费任何时间就能知道。

就相当于我们瞬间就能获取“1000光年外的箱子里是右手套”这个信息,看起来远远超过了光速,其实与光速没有任何关系,因为这两只手套一开始就处于“纠缠”状态,它们是一个整体。

上面用手套来比喻其实并不严谨,因为虽然一开始我们并不知道箱子里到底是左手套还是右手套,但其实两个手套的状态已经确定的,只不过我们不知道而已。

但是如果这两只手套是在微观世界,情况就大不一样了。微观世界的两只手套的状态其实是不确定的,严格来讲每只手套其实都处于“既是左手套又是右手套”的叠加态,在我们观测的一瞬间,箱子里的手套就会从叠加态坍缩为“要么是左手套,要么是右手套”的确定状态,而另外一个箱子里的手套也会发生这样的坍缩,如果之前的手套坍缩为左手套,那么另外一个箱子里的手套一定会坍缩为右手套。

说白了,量子纠缠表现出来的速度并不是平时我们所讲的速度,更像是我们思维的速度,我们的思维可以瞬间到达太阳那里,甚至瞬间飞出宇宙,但其实我们本人完全一动也没动。

因此,量子纠缠所谓的速度其实是没有现实意义的,因为这个过程没有传递任何信息。

当然,现实中科学家确实可以利用量子纠缠现象打造量子通信系统。这里有必要强调一下,所谓的量子通信并不是通过量子纠缠来“超光速”传递信息,主要是利用量子力学中的不确定性和量子纠缠现象实现隐形态传输,进行量子密钥分发,主要目的就是保证信息的绝对安全。

说白了,就是给信息加密,让信息更安全。

平时我们会给某些信息加各种密码来保证信息的安全性,但理论上无论你设置的密码多么复杂,都可以在你知情的情况下被破解,因为你设置的密码离不开数字,字母和符号,而这三者的数量是有限的,组合方式虽然很多,但肯定也是有限的,只要电脑的运算速度足够快,一定会在最短时间内破解出密码。

但是通过量子纠缠现象给信息加密,可以保证信息的绝对安全,因为信息的密钥是随机生成的,这种随机是真正的随机,没有任何规律可言,与我们现实中所谓的随机有本质区别。

现实中所谓的随机其实都是“伪随机”,都不是真正的随机,理论上只要我们掌握足够多的初始条件,就能计算出任何物体的未来走向。

举个例子,我们都知道天气预报不可能百分之百准确,那是因为我们无法准确掌握每个空气分子的运动速度,方向,温度,湿度等信息,如果我们能做到详细掌控每个空气分子的信息,理论上肯定能做到天气预报百分之百准确。

但我们无法在量子世界做到这点,因为量子世界里的一切都是随机的,比如说一个电子,它可以随机出现在任何地方,甚至同时出现在两个不同的地方,究竟出现在哪里,是无法预测的,只能通过观测。

而一旦实施了观测,量子纠缠的状态立刻就会被打破,物理学上讲就是“发生坍缩”,从纠缠态坍缩为“确定状态”,而这个状态的改变就会告诉信息的传输者和接收者:有人在窃听信息!

他们就会知道信息不安全了,就会重新制造出新的密钥来给信息加密。

而所谓的隐形态传输,虽然也是利用量子纠缠现象,但也没有任何超光速现象。

在很多科幻小说和电影中,经常会出现利用隐形态传输技术实现“瞬移”,一个人在地球上,一瞬间就能“瞬移”到数千光年外的另一个天体上,这到底是这么做到的呢?

理论上,这种瞬移方式确实是可行的。要想做到这点,首先把你身体内的所有微观粒子的量子信息传递到数千光年外的目的地,而这种信息传递过程当然不能瞬间完成,而是需要花费上千年时间。

当然,如果上千年之后,你身体的所有量子信息确实被传递到了数千光年外的一个天体上,把这些量子信息完美转移到微观粒子上,通过科技手段让这些微观粒子与组成你身体的微观粒子发生纠缠。

然后地球上的你就可以“瞬移”到另一个天体上,地球上的你会消失,然后另一个天体上微观粒子会重组,重现另一个你。当然这时候的你是不是原来的“你”,科学就无法保证了,起码目前还做不到。

总结

量子纠缠,虽然是瞬间完成的,超过光速一万倍,但其实并没有传递任何信息,因此也不违反相对论中的光速限制。

爱因斯坦的狭义相对论早就表明,信息的传递速度为光速,任何物体和信息的速度都不可能超过光速。狭义相对论经历一百多年的考验,至今仍旧屹立不倒,足以证明相对论是值得信任的。

宇宙的极限速度就是光速,世界上不可能存在任何超光速现象,准确来讲不存在任何信息的超光速现象。

除了量子纠缠现象之外,还有宇宙膨胀,曲速引擎还有虫洞科技等,看起来都超过了光速,但这些现象都不涉及任何物质的运动和信息传递,当然没有违反狭义相对论中的光速限制!

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