量子纠缠超光速,为什么没有违反爱因斯坦的相

在潘建伟等科学家的领导下,我国已经在量子通信技术领域实现了突破,处于国际领先地位。量子纠缠的概念也随之火热了起来。

爱因斯坦的狭义相对论认为:光速不可超越,任何物体的运动速度都不能超过真空中的光速。截止目前,没有发现任何违反相对论的物理现象。处于纠缠状态的两个粒子之间的感应速度比光速快,但这并没有违反相对论。这是怎么回事,让我们来详细了解一下。

量子纠缠是发生在光子、电子这一类构成物质的基础粒子上的一种量子效应。按尺度划分,世界有宏观和微观之分,量子效应就主要发生于原子及亚原子尺度下的微观世界。量子纠缠这个概念是由波动力学的创始人薛定谔命名的。

说到量子纠缠,必须要先来说一说量子。观测及实验表明,原子及亚原子粒子的运动是不连续的,或者说这些粒子的运动变化是离散的。我们用物理量来描述这些粒子的运动变化,如果把某一物理量的变化值填在数轴上,数轴不能被填满、存在间隔,数轴就被这些间隔分成一份一份的,这些间隔对应的就是物理量的变化,而且总是存在最小的间隔,这就是物理量的量子化,最小的间隔或者说最小的变化单位便是量子。

描述这种变化的便是量子力学,它有别于描述宏观世界中物质运动的经典力学,经典力学中物理量的变化是连续的,或者说变化量可以无穷小,不存在最小的变化单位。量子世界最大的特征便是粒子运动的不确定性、随机性,粒子的波动性便源于此。正这是这个原因,科学家们只能用统计和概率的方式来描述粒子的运动。比如粒子的位置和速度,在被观测之前都是不确定的,并且位置和速度不能被同时精确测量。“薛定谔的猫”最能形象地说明这种不确定性。

如下图所示,关于原子结构的电子云模型就很清晰地说明了这个问题,电子并不像行星绕着恒星那样具有确定的运转轨道。

不同的粒子具有不同的量子态,当几个粒子相互作用之后,它们的量子态会叠加在一起,此时这几个粒子就处于纠缠状态。处于纠缠状态的粒子间存在某种特殊的联系,两个粒子分别处在不同的地方,即使相隔1光年,一个粒子的状态发生改变,另一个粒子的状态也会对应地发生改变。这种联系与粒子间的距离无关,整个过程是瞬间完成的,也称之为超距作用。

当我们对某个处于纠缠状态的粒子进行测量,处于叠加状态的量子态会发生坍缩,从而产生一个确定的量子态,不管相距多远,另一个也会感应到这种测量行为,坍缩至一个确定状态。这种坍缩过程也是随机的。而在测量之前,我们只知道整个量子系统的状态,无法知道单个粒子的状态。

爱因斯坦虽然是量子力学的主要奠基人,但是他也曾经质疑过量子纠缠中的超巨作用,并与罗森、波多尔斯基于1935年共同提出了EPR思想实验。1964年,约翰·贝尔提出了贝尔不等式,ERP思想实验也就变成了佯谬。惠勒是第一个提出验证光子纠缠态实验的人,此后,科学家成功地实现了这个实验,生成了相互纠缠的光子对。

量子纠缠是一种鬼魅般的联系,与距离的远近无关。两个处于纠缠状态的粒子,即使相隔亿万光年,彼此之间也会存在心灵感应似的联系。不过,这种心灵感应的过程主要体现在纠缠状态解除的那一刹那间,一个粒子被干扰,另一个粒子即刻就会作出相应改变,纠缠态也随即解除。如果没有干扰,纠缠状态将一直保持下去。

科学家做了很多实验,都没有发现纠缠粒子对在坍缩时存在时间延迟。因此普遍认为,该过程不涉及时间差,或者说耗时为0。速度等于距离除以时间,不管距离多远,时间又始终为0,如何确定速度?对于量子纠缠现象来说,无论是100倍光速,还是1万倍光速,都没有实际意义。你也可以认为,量子纠缠的速度无穷大。

至于为什么会产生这种联系,科学家们也不是太清楚背后深层次的原因。可以肯定,量子纠缠是一种客观存在的物理现象。

爱因斯坦在狭义相对论中认为宇宙中最快的速度是真空中的光速,它是一切物体运动速度的极限,任何物体的运动速度都不能超过光速,任何有质量的物体的速度不能达到光速。光属于电磁波,又可以视作光子,由于光子没有静止质量,光从诞生起就以光速传播。而有质量的物体之所以不能达到光速,是因为,当物体运动时,质量也会随着速度的增加而增加,并且呈指数级增长。这意味着,速度越接近光速,加速物体时所需要的能量也就越多,质量越大的物体加速时所需要的能量也就更多。

目前已知,宇宙中主要存在三类超光速现象,一类就是本文所说的量子纠缠,一类是宇宙空间的膨胀速度超光速,还有一种是介质中的超光速现象。

光在真空中的传播速度是30万千米每秒,而光在介质中的传播速度会比真空中的传播速度小。有时介质中其它粒子的速度能够超过光在介质中的传播速度,这并没有超越真空中的光速,不算真正的超光速。

宇宙诞生于一次大爆炸,星系就仿佛分布在气球表面,随着宇宙的膨胀,也就是气球的膨胀,气球上任意两点的距离都在相互远离,而相距越远的点,相互远离的速度也就越快。空间的膨胀就如同气球膨胀一样,相对于地球而言,离地球越远的星系,远离地球的速度也就越快。在离地球140多亿光年远的地方,空间的膨胀速度已经超过了光速,但是时空中物质运动的速度并没有超过光速。

量子纠缠是量子世界不确定性的体现,量子叠加态的坍缩虽然从时间和距离上看起来超越了光速的限制,但是整个过程中并不涉及物质的超光速运动。整个叠加态的坍缩过程是随机的,量子纠缠并不能传递任何信息或能量。我们所说的量子通信技术,严格来讲是利用量子纠缠技术对通信过程进行加密的一种技术,信息走的还是传统信道。

物质是信息和能量的载体,我们现在用光或者无线电波来传递信息,它们本质上也是物质。不管是量子纠缠,还是宇宙空间的超光速膨胀,它们都不涉及物质的运动,因此并不受狭义相对论的限制。想要利用量子纠缠实现科幻题材中的瞬间转移,目前来说是不可能的。