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  20世纪,当时理学家们开始纠结一个问题,光到底是波还是粒子?

  为了找到真相,大家决定做一个实验,用一个发射光子的机枪对准双缝发射,假如光束是由粒子组成,那当它通过双缝后呈现在屏幕上时,就一定会留下两道杠,这就和子弹击中目标后会留下孔,是一样的道理,假若光束是由纯波组成,那么屏幕上就会留下如斑马线一样的多道条纹。

  根据波动理论,当水波穿过缝隙时会形成两个波源,两道波源各自震荡干涉,波峰与波峰之间强度叠加,波峰与波谷之间正反抵消,这种屏幕上会出现一道道复杂且唯美的斑马线。

  总之两道杠,粒派胜,斑马线,波派胜。

  第一次实验,把光子机枪对着双缝发射,结果标准的斑马线,第二次实验把光子机枪切换到点射模式,虽然每次只发射一个光子,但是经过一段时间的积累还是出现了干涉条纹,这样人百思不得其解,明明两个狭缝只有一个狭缝有光子,那这个光子是在和谁进行干涉呢?难道他是在和自己干涉吗?

  到这里为止第一个问题出现,为什么会这样?这便是量子力学中的第一个定律,叠加态原理,之前讲的薛定谔的猫,其实就是因为薛定谔不相信叠加态原理,并想告诉玻尔,这个世界上不可能存在不死不活的猫,不过这都是后话了。

  由于当时哥本哈根诠释尚未提出,所以这让物理学家感到尤为蹊跷,并开始尝试第三次实验,在屏幕前面加装两个探测器,一边一个,左右排开,哪边的探测器看到光子,就说明光子穿过了那条缝,通过探测器观测到的数据发现,光子确实是指从左缝或者右缝单一通过,正当科学家以为一切都真相大白的时候,却突然头皮发麻,并在屏幕上看到了明显的两道杠。

  为什么会这样?为什么用探测器观测了就有斑马线变为两道杠呢?

  这便是量子力学中的第二个定律,观察者原理,仅仅观测了就会引起叠加态的坍缩,并看到一个确定无疑的结果,由于当时哥本哈根诠释尚未提出,所以他们也是一头雾水,而且光是波还是粒子似乎都说得过去,正当他们吵得不可开交时,爱因斯坦提出了一个大胆的假说,光量子假说,并在后来演化成了波粒二象性。

  即光子在传播的时候显示为波性,但是在测量时却显示出粒子性,但我要强调的是,波粒二象性只是性质而不是本质,通俗的说,就是既可以表现出波的性质,又可以表现出粒子的性质,而这其中的变量,只是因为观测方式的不同。

  举一个并不恰当但是很容易理解的例子,你是你爸爸的儿子,你爸爸也是你爷爷的儿子,但是你能说你爸爸就是儿子吗?而光也是一样的道理,到这里为止,所有的疑问似乎都迎刃而解。

  双峰干涉实验可怕吗?不可怕,用波粒二象性足以解释,但是几十年后发生的一件事情才是让经典物理学倒塌的关键,这就是1979年惠勒提出的延迟选择实验。

  他们继续重复之前的双缝干涉实验,不过这次只有屏幕没有摄像头,物理学家计算好光子穿过缝的时机,当它穿过后,在最后快要落到屏幕前时,加上探测器,结果无论探测器速度多快,只要最终加上,屏幕上一定是两道杠,反过来,如果一开始有摄像头,哪怕在最后一刻撤掉,屏幕上一定是斑马线,原因就在于探测设备是在光子穿过干涉缝隙之后才对光子造成了影响,但是能影响到光子穿过干涉缝时的状态,这点就很有意思了。

  理论上来讲,冲锋在前是因,被探测在后是果,按照经典物理学的因果律,因能决定果,但在这次实验中,果却能决定了因,也就是说在微观世界中,未来确实能改变从前。

  截止到目前,对于此问题还是没有一个人能给出一个确切的解释,但是套用玻尔的话,在观测发生之前,没有任何物理量是客观存在的,你就会发现这一切都能解释,这就是量子力学神奇的地方,他能将双缝干涉实验和延迟选择实验解释得如此完美,在延迟选择实验后,物理学界无一人不再相信量子力学。

  1947年,玻尔将自家族徽设计为中国太极图图案,这足以看出波尔对太极思想的痴迷程度。他认为太极图就是对量子力学最完美的解释,而中国古人也早已在遥远的几千年前就已经领悟到了整个世界的运转规律。从至大无外的宏观宇到至小无内的微观领域基本粒子,其发展变化规律尽在太极之中。众妙之门,无所不在,相互相斥,无始无终。

  不知你是否相信命运的存在,一定要认真读完这篇文章,这篇文章很有可能颠覆你的三观。

  其实,薛定谔还是一个反对量子物理学的人。故事还要从20世纪讲起——1927年深秋,在比利时举办的第五届索尔雅会议上,以爱因斯坦为首的传统物理学派和以玻尔为首的哥本哈根学派就量子物理展开了激烈的辩论:玻尔认为任何物质在没有被观测前处于一种叠加态,也就是随机的状态,即这个世界是随机和不确定的;但爱因斯坦认为这违背了物理学的基本定律。

  由此,两个物理学派展开了长达百年的世纪之战。

  为了反驳哥本哈根学派,同样支持传统物理学派的薛定谔展开了一个大胆的思想实验,这就是闻名于世的“薛定谔的猫”。也就是将一只猫关在装有少量镭和氰化物的不透明密闭容器里。镭的衰变存在几率,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就存活。

  当盒子关闭时,我们看不到内部,所以镭处在衰变和不衰变的叠加状态,因为镭的状态不确定,所以机关是否打破了装有氰化物的瓶子也不确定,而装有氰化物的瓶子的状态不确定,就会导致猫的状态也不确定(好水啊),只有当我们打开箱子查看才能确定猫的生死。

  这时问题也随之出现:当我们没有打开箱子时,这只猫处在什么状态?

  传统物理学派认为,这只猫要么是死的,要么是活的,概率分别为50%;但哥本哈根学派认为这种思考方式是完全错误的,量子力学的特别之处就在于它允许猫在死和活两种状态之间存在中间态。在经典物理的理解中,猫只有死或者活两种状态。

  到此为止,薛定谔想表达的问题就出现了:他把量子效应放大到了我们的日常生活之中,就是为了证明一只不死不活的猫在现实世界中实在过于荒谬,这种叠加态根本无法用经典直观的语言去表达,所以这也是“薛定谔的猫”的独特之处。但这个推论如果成立,那么不仅仅是猫,所有的一切当我们不去观察的时候,都是处在不确定的叠加状态,因为世间万物也都是由不确定性的原子所构成的,宇宙的熵只有人们观察后在会降低,但同时又会产生新的熵。

  在此实验后,双方依然进行着无休止的争论,但让人遗憾的是,玻尔和爱因斯坦还是未能在有生之年达成共识,并且直到今天,物理学界都没有一个人能给出近乎完美的答卷。至此,所有事情都指向了导致经典物理学崩塌的那次事件——双缝干涉实验。

  量子是现代物理的重要概念,与经典物理有根本的区别,提供了全新的原理和思考方式。量子具有不确定性和不可测量性,量子的世界不遵循经典物理学定律,因此人们对量子世界的探索存在很多困难。

  目前量子通信主要方式是量子密码通信。量子密码或量子密钥分配是利用了观测一般会干扰被观测系统的量子力学原理来实现的。量子的不可分割性和量子态的不可复制性保证了信息的不可窃听和破解,进而实现根本上、永久性解决信息安全问题的目标。

  那么如果我们利用量子纠缠的原理来进行远端通信会如何呢?

  量子隐形传态需建立在经典物理信道的基础上才能实现。在研究量子领域早期,人们最感兴趣的一个问题是能否利用量子纠缠实现超光速通信,这个问题的答案是否定的,原因在于量子的不可克隆性,仅依靠量子纠缠系统无法传递具体信息,要将原量子态的全部信息提取出来,需分别根据其经典信息和量子信息来构造,因此无法实现瞬间传输。量子隐形传态利用量子纠缠态作为通道,利用量子作为载体, 把信息从一个地方传递到另一个地方。量子隐形传态的任务可以简单地描述为:假设存在一对共享的量子比特为 A、B,利用A、B来传送量子态C。将A、B分别置于系统的两端,现将量子比特A和C作幺正变换,测量后得到两个经典量子比特的信息,在这个过程中两个量子比特被破坏。量子比特B现在包含了关于C的信息,但观测者仍无法得到C的任何信息,量子比特B处于四个任意的量子态之一。现在需通过经典通信通道将A的测量结果发送到B端,根据A的测量结果,对B作相应的幺正变换, 此时量子比特B的状态变为C,实现了量子态的传送。

  那么现在的主要问题就是如何找到成对的已经成为纠缠形态的量子呢?

  1993年,Bennett等来自四个国家的六位科学家演示了第一种量子隐形传态方案。方案的工作原理如下:量子纠缠源产生一个EPR对,Alice和Bob各拥有其中的一个,记为粒子B1和B2。现在Alice和Bob在不同的地方,Alice要向Bob发送一个量子比特,记为A,设A的量子态为|ψ>=α|0>+β|1>,而Alice并不知道A的具体状态。首先Alice让A和B1相互作用,然后测量她的两个量子比特,得到四个可能结果00,01,10和11中的一个。接着她通过经典信道把测量结果告诉Bob。根据Alice的测量结果,Bob对B2进行适当的操作,即可得到状态|ψ>。而Alice所拥有的A的状态因为测量塌缩为|0>或|1>状态。

  目前,量子通信尚处于试验研究阶段,还存在许多理论和技术问题。但是,量子通信已经取得了一些令人鼓舞的进展,并展现出非常诱人的前景。此外,对量子纠缠态、非定域性理论的研究不但对物理学的发展起到了推动作用,并且也将被应用于其它领域。例如,量子通信导致了第六代光纤通信系统——量子光纤通信时代的到来,量子博弈问题的提出和解决等等。

  “其实我很期待量子通讯时代的到来,也许到了那时,网络带宽是以EB来计算,回头展望现在,会不会像我们回想1G时代一样呢”

  昨天,我们讲到了量子纠缠,而量子纠缠的一个表现点就是忒修斯之船。

  忒修斯之船,最为古老的思想实验之一。最早出自普鲁塔克的记载。它描述的是一艘可以在海上航行几百年的船,归功于不间断的维修和替换部件。只要一块木板腐烂了,它就会被替换掉,以此类推,直到所有的功能部件都不是最开始的那些了。问题是,最终产生的这艘船是否还是原来的那艘特修斯之船,还是一艘完全不同的船?如果不是原来的船,那么在什么时候它不再是原来的船了?哲学家Thomas Hobbes后来对此进来了延伸,如果用特修斯之船上取下来的老部件来重新建造一艘新的船,那么两艘船中哪艘才是真正的特修斯之船? 亚里士多德认为可以用描述物体的四因论解决这个问题。构成材料是质料因,物质的设计和形式是形式因,形式因决定了物体是什么。基于形式因,忒修斯之船还是原来的船,因为虽然材料变了,但船的设计(形式因)没有变。从这个角度看赫拉克利特的河流问题,则两次踏入的是同一条河流,因为河流的形式因没有变。事物的目的决定了其目的因。忒修斯之船的目的在神话中是装载和运输,在现实中的目的是证明和纪念忒修斯,虽然材料变了,但目的没有变。

  量子力学里有一个"全同原理",说的是同类的量子之间本质上是不可区分的。两个氢原子之间没有性质的区别。你用这个氢原子代替水分子中的那个氢原子,这个水分子的性质没有任何改变。

  那么,问题就来了:我们的身体都是由基本量子构成的,而且从我们诞生那一天起,一刻不停地进行着新陈代谢,新陈代谢的速度远比我们一般人想象的快的多。科学家用'示踪元素'参与新陈代谢的实验证明,新陈代谢速度比科学家以前想象的速度也要快的多。今天组成你身体的元素,与昨天有很大不同,与几年以前几乎完全不同。但是我们仍然认为你还是你,现在的你和几年前的你是同一个人,这是为什么呢?

  因为"全同原理"存在,组成你的身体的元素虽然被替换了一遍,但是同类粒子之间是完全一样的,没有性质的区别。用这个氢原子代替你身体里的那个氢原子,你身体的性质不发生任何改变。

  当然,你比几年前长大了一些或者变老了一些,这是由于你身体的结构发生了一点细微的变化--组成你身体的元素之间的相互关系发生了一点改变,而不是由于替换了元素的关系。

  我们认定同一性--认定一个事物是不是它本身的依据不是组成这一事物的元素,而是这一事物的内部结构--元素之间的关系,以及这一事物的时空连续性。

  但令人疑惑的是,如果我们把之前从忒修斯之船上拆下来的部件组装成一艘新的忒修斯之船,那两艘忒修斯之船到底哪一个是真的?同理,如果把你新陈代谢掉的物质组装成一个你,那到底哪个你才是真实的呢?

昨天我们谈到了量子,而在量子力学中最深奥的就是量子纠缠,这个问题常常与宇宙中的虫洞联系在一起,那么到底什么是量子纠缠呢?

  量子纠缠在维基百科中是这么解释的:在量子力学里,当几个粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质,无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,则称这现象为量子纠缠(quantum entanglement)。

  物理学家对量子纠缠的研究经历了两个阶段:其一是观念质疑与概念辨析阶段。这一阶段以爱因斯坦、波多尔斯基和罗森于1935年联名在《物理学评论》杂志上发表的“能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?”(通常简称“EPR论证”)一文为开端,以如何理解量子力学的基本特征为主线,围绕如何理解量子纠缠的思想实验展开争论;其二是实验证实与技术应用阶段。这一阶段以贝尔不等式的提出为契机,以检验这个不等式的一系列实验为基础,以量子信息科学与量子计算的迅猛进展为核心,把量子纠缠作为一种像能量一样的物理学资源,进行测量、转换和纯化,来探索其广泛的应用前景。对于哲学研究来说,量子纠缠引发的哲学问题比过去任何时候都更加尖锐与深刻。我们对这些问题的讨论,在本质上,不是对传统哲学观念的细枝末节的修正或补充,而是蕴含着彻底的哲学革命以及哲学思维方式的大转变。然而,令人遗憾的是,在国际学术界倍受关注的这一论题在国内哲学界却惨遭冷落,因此,我们有必要对这一论题进行深入探讨。

  量子纠缠其实就是一个真人伸出两只手来,人们只看见手,不见人,觉得两只手同时在做同样的动作,就认为是一只手动作也感应着另外一只手作同样动作了,其实这两只手是一个人在连接起来的,不是两只手单独存在的。

  “量子”(quantum)概念来源于拉丁语“quantus”,意思是“多少”(how much),意指一个固定的量,与此相关的一个重要常数称之为“作用量子”(通常称为普朗克常数),用h表示,h取自“Hiete”的第一个字母,是“帮助”的意思。在物理学史上,物理学家通常把普朗克提出作用量子的年代(1900年)确定为是量子时代的开端和机械力学时代的终结。此后,物理学家经过二十多年的努力,终于在1925年和1926年确定了量子力学的形式体系。量子力学是探讨构成物质基本单元(即亚原子粒子)的运动变化规律的学说。我们无法用仪器直接观察到微观粒子的存在状态,只能观察到它们在特定测量设置中的特定的行为表现,比如,云雾室里的径迹、盖革计算器的响声、双缝衍射图样等。在这个领域内,我们过去熟悉的许多规律和观念都失去了效用,“不确定性”主宰着一切。量子力学最离奇的特征是被爱因斯坦称之为“怪异的超距作用”的量子纠缠,我们在经典世界中从来没有遇到过类似情况。物理学家理解量子纠缠的过程,不只是理解量子力学的过程,同时还是澄清旧的哲学前提、确立新的哲学观念的过程。

  与继往通过实验现象归纳出理论观念的研究方式不同,物理学家最初对量子纠缠的认识并不是直接来源于所观察到的实验现象,而是来源于对量子力学的形式体系的理解与把握。薛定谔早在1926年创立他的波动力学时,已经意识到,假如几个粒子或光子是在某个物理过程中共同产生的,那么,它们之间就会发生纠缠。但是,量子纠缠现象真正引起物理学家的关注,应归功于爱因斯坦等人联名发表的EPR论证的文章。在当时的背景下,EPR论证与其说是一篇物理学论文,不如说是一篇典型的量子力学哲学论文。过去人们通常认为,这篇论文的学术价值在于爱因斯坦与玻尔就量子力学的完备性问题的争论,事实上,从当前的发展来看,这篇论文更大的学术价值在于技术应用和由此引发的哲学讨论。量子纠缠这个概念的提出归功于薛定谔。1935年10月,薛定谔在《剑桥哲学学会的数学进展》杂志上发表了“分离系统之间的概率关系的讨论”一文,在该文中,薛定谔进一步推广了EPR论证的讨论,并创造了“纠缠”这一术语来描述复合的量子系统存在的这种特殊关联。

  薛定谔在这篇讨论性文章中开门见山地指出,当两个系统由于受外力作用经过暂时的物理相互作用之后再彼此分开时,我们无法再用它们相互作用之前各自的表达式来描述复合系统的态,两个量子态通过相互作用之后已经纠缠在一起。实验表明,不管这两个量子系统分离之后相距多远,都始终会神秘地联系在一起,其中一方发生变化,都会立即引发另一方产生相应的变化。简单地说,量子纠缠是指,曾经相互作用过的两个粒子,在彼此分离之后,对一个粒子的任何测量,都会影响到另一个粒子的存在状态。这也就解释了为什么总有人说出一些例如双胞胎的心灵感应等一系列“灵异”的话题,但还是没有人知道其中的真正奥秘,我也不敢对鬼神之说打什么包票。

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