在當今信息爆炸的時代,“量子力學” 這個詞匯早已突破物理學界的專業壁壘,頻繁出現在大眾視野中。無論是社交媒體上的科普短文,還是街頭巷尾的閑談,總能聽到人們對量子力學的討論。
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然而,盡管 “” 的知名度極高,但作為物理學領域的前沿理論,它的核心內容對于絕大多數普通大眾而言,依舊是一片充滿未知的迷霧。也正是因為量子力學所展現出的種種與宏觀世界常識相悖的 “詭異” 現象,以及其蘊含的無限可能,讓它成為了大眾津津樂道的話題,甚至被一些別有用心之人當作招搖撞騙的 “工具”。
在眾多借量子力學之名行騙的案例中,“量子波動速讀” 無疑是最為典型的代表之一。這個曾在一段時間內風靡家長圈的所謂 “神奇培訓項目”,打著量子力學的旗號,宣稱只要通過特定的訓練,就能讓書本與人的大腦產生 “量子糾纏”,從而實現 “過目不忘” 的效果。
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按照其宣傳話術,即便學員只是快速翻動書本,不需要逐字閱讀,也能將書本中的知識完整地 “吸收” 到大腦中。這種聽起來違背基本認知的說法,卻讓不少急于提升孩子學習能力的家長深信不疑,紛紛掏出高價為孩子報名。
更令人啼笑皆非的是,這些行騙者不僅編造出 “量子波動速讀” 的荒誕理論,還對量子力學中的核心概念 “量子糾纏” 進行肆意曲解。他們將量子糾纏現象描述成一種超自然的 “心靈感應”,甚至將其與所謂的 “靈魂存在” 聯系在一起,精準地抓住了部分人對神秘事物的好奇心和對超自然現象的向往。
事實上,稍有科學常識的人都能輕易看穿這背后的騙局,但令人意外的是,仍有大量家長陷入其中。這固然有家長們急于求成的心態作祟,但也與部分科普作者的不當解讀有關。一些科普作者為了追求傳播效果,將量子糾纏簡單類比為 “心靈感應”,這種不嚴謹的表述在很大程度上誤導了普通大眾,讓人們對量子力學的認知偏離了科學軌道。
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那么,真正的量子力學和量子糾纏究竟是怎樣的理論呢?盡管量子力學的諸多現象看似 “詭異”,甚至到目前為止,科學家們也未能完全揭開它所有的奧秘,但無可否認的是,量子力學是一門極其嚴謹、精確的科學。它早已成為現代物理學大廈的重要基石之一,在微觀世界中占據著絕對的 “統治地位”。其研究范圍廣泛,涵蓋了分子、原子、凝聚態物質,以及基本粒子的結構與性質等多個領域,為我們理解微觀世界的運行規律提供了強大的理論支撐。
要理解量子力學,就不得不先認識 “量子糾纏” 這一核心概念。在物理學中,對量子糾纏的定義是:當兩個或多個粒子發生相互作用之后,這些單個粒子所具有的屬性會綜合成為一個整體屬性,此時我們無法再單獨描述每個粒子的性質,只能對整個系統的性質進行描述。這便是量子糾纏現象的本質。不過,這樣的物理學定義對于普通大眾來說,依舊顯得抽象難懂。接下來,我們將嘗試用更通俗的語言,結合量子力學中的其他重要概念,來進一步解讀量子糾纏。
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在深入探討量子糾纏之前,我們首先需要了解量子力學中的 “不確定性原理”。這一原理最初也被稱為 “測不準原理”,由著名物理學家海森堡在 1927 年提出。簡單來說,不確定性原理所表達的核心思想是:在微觀世界中,我們無法同時精確地確定微觀粒子的位置和速度。
如果我們試圖更精確地測量粒子的速度,那么對其位置的測量精度就會相應降低;反之,如果我們希望更準確地知道粒子的位置,那么對其速度的測量就會變得不精確。
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不確定性原理的提出,徹底顛覆了我們對宏觀世界的認知。在我們日常生活的宏觀世界中,任何物體的位置和速度都是可以同時確定的。比如,當你行走在馬路上,看到大街上不斷呼嘯而過的汽車時,我們不僅能夠直觀地判斷出汽車在某個瞬間的大致位置,還能通過雷達等技術手段精確測量出汽車的速度以及它與我們之間的距離。
然而,一旦進入微觀世界,情況就發生了翻天覆地的變化。在微觀尺度下,我們完全無法像在宏觀世界中那樣,精確地測量出微觀粒子的位置和速度信息,甚至可以說,我們根本無法確切知道微觀粒子在某個特定時刻到底處于何處。
為什么在微觀世界中,粒子的位置和速度無法同時精確測量呢?這就需要從我們觀察微觀粒子的方式說起。在現實生活中,我們對任何物體的觀察,本質上都是一種間接觀察。
因為無論我們要觀察什么東西,都必須借助光的作用 —— 被觀察的物體要么能夠自行發光,要么能夠反射光線,這些光線進入我們的眼睛后,才能讓我們看到物體的存在。而當我們要觀察微觀粒子的某些屬性,比如它是否帶電時,就需要借助磁場的力量,通過觀察微觀粒子在磁場中的運動軌跡和運動形式,來判斷其帶電屬性。
不過,在宏觀世界中,光對物體的影響微乎其微,幾乎可以忽略不計。例如,當太陽光照射到一輛汽車上時,太陽光所攜帶的能量根本不足以推動汽車移動,因為汽車的質量相對于光子的能量來說實在太大了。
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但在微觀世界中,情況卻截然不同。雖然光子沒有靜止質量,單個光子所攜帶的能量也非常小,但微觀粒子的質量同樣極小,因此光子與微觀粒子相互作用時,就很可能會改變微觀粒子的原有狀態,甚至會使微觀粒子產生 “亂竄” 的現象,導致我們無法準確捕捉到它的運動軌跡。
這種相互作用帶來的直接后果就是:如果我們想要測量微觀粒子的精確位置,就必須使用波長更短的光。因為光的波長越短,相鄰波峰和波谷之間的距離就越小,光線從粒子表面反射回來后,所覆蓋的范圍也就越小,這樣我們在測量粒子具體位置時,精度自然就會更高。但與此同時,波長更短的光也意味著其頻率更高,所攜帶的能量更強。當這種高能量的光與微觀粒子相互作用時,對微觀粒子的擾動就會更大,從而使得我們很難再精確測量出粒子的速度。
相反,如果我們的目標是測量微觀粒子的精確速度,那么就必須使用波長更長的光。
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因為波長更長的光,頻率相對較低,能量也較弱,對微觀粒子的擾動較小,不會過多影響粒子的運動狀態,這樣我們就能更準確地測量出粒子的速度。但問題在于,波長更長的光,其覆蓋范圍更大,反射回來后,我們很難精準定位粒子的具體位置,導致對粒子位置的測量精度大幅降低。
這就如同我們在生活中面臨的 “魚和熊掌不可兼得” 的困境一樣,當我們試圖同時測量微觀粒子的位置和速度時,就必須在兩者之間做出取舍,不可能同時獲得精確的測量結果。這樣的解釋似乎更容易被人們接受,畢竟從 “測不準” 的角度出發,我們只能用概率來描述微觀粒子的狀態,這也就是量子力學中所謂的 “概率波”,或者 “波函數” 的由來。
按照這種思路理解,微觀世界的不確定性似乎并非是粒子本身所固有的屬性,而是由于我們的測量手段存在局限所導致的。也就是說,微觀粒子的位置和速度或許在客觀上是確定的,只是我們目前的測量技術還無法準確地將其測量出來,所以才只能用概率來描述。
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然而,主流科學界并不認同這種看似更容易理解的觀點,而是更傾向于 “哥本哈根詮釋”。“哥本哈根詮釋” 是量子力學中最具影響力的詮釋之一,它認為微觀粒子的不確定性是粒子本身所固有的屬性,是量子世界的本質特征,與我們所采用的測量手段沒有任何關系。在量子世界中,微觀粒子的狀態本身就是不確定的,我們只能用概率波或者波函數來對其狀態進行描述。并且,任何形式的觀測行為都會導致微觀粒子的 “波函數坍縮”,使粒子從原本的不確定狀態轉變為一個固定的狀態,此時概率波也會相應地變成一個確定的值。
簡單來說,當我們沒有對微觀粒子進行觀測時,微觀粒子的表現就像是一種波,它可以同時存在于多個位置,也就是我們所說的 “無處不在”;而當我們對其進行觀測時,我們所看到的粒子的確定狀態,其實只是因為在觀測的瞬間,粒子恰好出現在了我們觀測的位置上。畢竟正如前面所說,在未觀測時粒子 “無處不在”,所以無論我們從哪個角度、在哪個時間進行觀測,總能在某個位置發現粒子的存在。
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“微觀粒子無處不在” 這一說法,對于習慣了宏觀世界規律的我們來說,無疑是難以接受的。如果這種現象出現在宏觀世界中,那簡直會讓人感到瘋狂。著名物理學家愛因斯坦就曾用一個生動的例子來質疑 “哥本哈根詮釋” 的代表人物玻爾,他問道:“不看月亮時,它就不在那里了嗎?” 在愛因斯坦看來,月亮作為宏觀物體,其存在與否并不會因為我們是否觀測而改變。
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但如果將月亮放在微觀世界中,按照 “哥本哈根詮釋” 的觀點,情況還真的會有所不同。在微觀世界里,“月亮”(這里指微觀粒子)在未被觀測時,確實不存在于某個固定的位置,而是 “無處不在”,像幽靈一樣在空間中忽隱忽現;只有當我們對其進行觀測的那一瞬間,“月亮” 才會突然出現在某個確定的位置上。
也正是因為 “哥本哈根詮釋” 所描述的量子世界與我們的日常認知存在巨大差異,所以很多學者始終不愿意接受不確定性原理,更愿意相信微觀粒子的 “不確定” 只是由于人類目前的測量技術還不夠發達,導致我們無法準確測量出粒子的真實狀態。
那么,為什么主流科學界不認同 “測量技術不發達導致測不準” 這種觀點呢?從邏輯和理論層面來看,如果微觀粒子的不確定性真的是由測量技術局限造成的,那么我們永遠都無法證實或證偽 “微觀粒子本身是否確定” 這一問題。因為無論未來我們的測量技術發展到多么先進的水平,測量過程中總會存在一定的誤差,我們始終無法排除 “誤差導致測量結果不確定” 的可能性。這種永遠無法得到確切答案的 “不可知” 狀態,讓追求精確和確定性的科學家們感到苦惱,甚至恐懼。
相比之下,“哥本哈根詮釋” 雖然看起來有些 “詭異”,甚至帶有一定的 “簡單粗暴” 色彩,但它至少為量子世界的本質提供了一種明確的詮釋。再加上量子力學本身就充滿了各種 “詭異” 的現象,與宏觀世界的規律截然不同,人們也就更容易接受 “量子世界具有不確定性” 這一觀點。
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更重要的是,著名物理學家薛定諤推導出來的 “薛定諤方程”,為 “哥本哈根詮釋” 提供了強有力的數學支持。通過求解薛定諤方程,我們可以得到描述微觀粒子狀態的波函數。后來,物理學家玻恩又進一步提出了波函數的物理學意義 —— 概率波,玻恩也正因這一重要貢獻獲得了諾貝爾物理學獎。
薛定諤方程的數學形式較為復雜,對于普通大眾來說,不需要深入理解其具體的推導過程和數學細節,我們只需要明白一點:薛定諤方程在量子世界中的地位,就相當于牛頓第二定律在宏觀世界中的地位。牛頓第二定律為我們描述宏觀物體的運動規律提供了核心公式,而薛定諤方程則是我們研究微觀粒子運動和狀態的核心工具。
由此可見,薛定諤方程和波函數從數學層面清晰地定義了微觀世界的不確定性,而玻恩則從物理學角度闡明了波函數的實際意義 —— 概率波。既然無論是從數學理論還是物理意義上,“哥本哈根詮釋” 都能得到很好的支撐,主流物理學界自然沒有理由不接受這一詮釋。
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在這里,有必要強調一點:量子力學中的 “波函數”,從本質上來說,只是一個假設,也可以被看作是量子力學理論體系中的一條公理,它是量子力學的基礎概念之一。換句話說,科學家們目前也無法完全解釋清楚,為什么量子世界中的微觀粒子會表現出如此難以捉摸的行為,他們只能通過 “波函數” 來描述微觀粒子的運動規律,并且觀察到任何形式的觀測行為,都會導致波函數發生坍縮。
至于波函數到底為什么會存在,以及觀測行為為何會導致波函數坍縮,這些問題目前仍然沒有確切的答案。因為波函數本身就是量子力學理論體系中的一個假設,我們可以認為它是一個完美的假設,也可以將其視為量子力學的公理。事實上,任何科學理論的建立,都離不開一定的假設作為基礎。例如,愛因斯坦的狹義相對論,就是建立在 “狹義相對性原理” 和 “光速不變原理” 這兩大假設的基礎之上的。
有趣的是,雖然薛定諤提出了具有里程碑意義的薛定諤方程,按照常理來說,他應該是 “哥本哈根詮釋” 的堅定支持者,但實際上,薛定諤和愛因斯坦一樣,都是經典物理學的忠實擁護者,他們堅決反對 “哥本哈根詮釋”。薛定諤始終認為,量子力學所描述的微觀世界的不確定性,只是一種表面現象,在其背后一定存在著某種尚未被我們發現的 “隱變量”,這些 “隱變量” 決定了微觀粒子的真實狀態。只要我們能夠找到這些 “隱變量”,就能像在經典物理學中那樣,精確地描述微觀粒子的運動規律,消除量子世界的不確定性。
為了反駁 “哥本哈根詮釋”,薛定諤還提出了著名的 “薛定諤的貓” 思想實驗。
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這個實驗是這樣設想的:將一只貓關在一個密封的盒子里,盒子里同時放置了一個放射性原子、一個裝有劇毒氰化物的燒瓶以及一個由蓋格計數器控制的錘子。根據量子力學的規律,放射性原子會在一段時間內處于衰變和未衰變的疊加狀態。如果原子發生衰變,蓋格計數器就會檢測到衰變產生的粒子,進而觸發錘子,打碎裝有氰化物的燒瓶,導致貓死亡;如果原子沒有發生衰變,燒瓶就不會被打碎,貓就能存活下來。
按照 “哥本哈根詮釋” 的觀點,在我們打開盒子進行觀測之前,原子處于衰變和未衰變的疊加狀態,那么貓也應該處于 “死” 與 “活” 的疊加狀態。只有當我們打開盒子觀測的瞬間,波函數發生坍縮,貓才會從 “死” 與 “活” 的疊加狀態轉變為確定的 “死” 或 “活” 的狀態。但在現實世界中,一只貓怎么可能既死又活呢?“薛定諤的貓” 思想實驗生動地揭示了 “哥本哈根詮釋” 在宏觀世界中的荒謬性,也反映了薛定諤對 “哥本哈根詮釋” 的質疑。
然而,盡管 “薛定諤的貓” 思想實驗看似極具說服力,但它并未能推翻 “哥本哈根詮釋”。因為在量子力學中,疊加態是微觀粒子特有的屬性,這種屬性無法直接推廣到宏觀物體上。宏觀物體由于其質量巨大,與周圍環境的相互作用極為復雜,會導致量子疊加態迅速消失,也就是所謂的 “量子退相干”。因此,在宏觀世界中,我們永遠無法觀察到像 “既死又活的貓” 這樣的現象。
愛因斯坦同樣對 “哥本哈根詮釋” 提出了諸多質疑,除了前面提到的 “月亮問題”,他還與波多爾斯基、羅森共同提出了著名的 “EPR 悖論”,試圖從邏輯上證明 “哥本哈根詮釋” 的不完備性。“EPR 悖論” 基于量子糾纏現象,指出如果 “哥本哈根詮釋” 成立,那么就會存在超光速的信息傳遞,這與相對論中 “光速是宇宙中最快速度” 的結論相矛盾。
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為了解決 “EPR 悖論” 所帶來的矛盾,物理學家玻姆提出了 “隱變量理論”,試圖為量子力學尋找一個更符合經典物理學直覺的解釋。但隨著實驗技術的不斷發展,越來越多的實驗結果都支持 “哥本哈根詮釋”,并否定了 “隱變量理論” 的存在。其中,最具代表性的是阿斯派克特實驗,該實驗通過精確測量處于量子糾纏狀態的粒子,證實了量子力學中確實存在 “超距作用”,但這種 “超距作用” 并不能傳遞有用的信息,因此并不違背相對論。
為了更直觀地理解這一現象,我們可以從微觀世界的粒子衰變過程入手。比如,某些不穩定的微觀粒子在發生衰變時,可能會分解為一個電子和一個反電子(即正電子)。此時,這兩個同時產生的電子與正電子,就處于典型的量子糾纏狀態 —— 因為它們源自同一個母體系統的分裂,從誕生之初就共享著不可分割的整體屬性。
從宏觀的運動規律來看,電子與正電子的運動方向必然是相反的。這是由于衰變過程遵循動量守恒定律,在沒有外部作用力的情況下,系統的總動量始終為零,因此兩個粒子的動量大小相等、方向相反,所受合力也為零,確保了整個系統的動量平衡。而在更微觀的量子屬性上,它們的自旋方向同樣呈現出嚴格的關聯性 —— 必然是相反的。不過,究竟哪一個粒子的自旋方向向上,哪一個向下,在我們進行觀測之前,是完全無法確定的。
這一特性恰恰是哥本哈根學派詮釋的核心體現,也直接印證了不確定性原理的內涵。按照哥本哈根學派的觀點,處于糾纏狀態的粒子,其自旋屬性在被觀測之前,并非處于某個固定的狀態,而是處于一種 “疊加態”。也就是說,電子和正電子的自旋方向,同時存在 “向上” 與 “向下” 兩種可能性,就像是兩種狀態被 “疊加” 在了一起。只有當我們對其中一個粒子進行觀測的瞬間,這種疊加態才會被打破,粒子的自旋方向才會確定下來 —— 而與此同時,另一個與之糾纏的粒子,無論距離有多遠,其自旋方向也會瞬間確定為相反的狀態。
這樣的解釋,讓以愛因斯坦為代表的一批物理學家無論如何都難以接受。在愛因斯坦看來,量子力學所描述的這種 “不確定性”,與我們日常生活中常見的 “未知” 有著本質的區別。為了反駁這一觀點,愛因斯坦提出了多個通俗的類比,其中最經典的便是 “擲硬幣” 和 “手套” 的例子。
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以擲硬幣為例:當硬幣被拋向空中,在它落地之前,我們確實無法知道硬幣最終會是正面朝上還是反面朝上,看起來其狀態是 “不確定” 的。但這種不確定,僅僅是因為我們 “尚未觀察到”,而非硬幣本身的狀態真的處于 “既正面又反面” 的疊加中。從物理規律來看,在硬幣下落的每一個瞬間,它的朝向其實都是確定的 —— 受到重力、空氣阻力等因素的影響,其運動軌跡和姿態始終遵循經典力學定律,只是由于這些因素的復雜性,我們無法實時計算出它的具體朝向而已。
再比如 “手套” 的類比:將一副成對的手套分別裝入兩個完全密封的盒子中,然后將這兩個盒子分別送往地球的兩端。在打開盒子之前,我們雖然無法確定其中一個盒子里裝的是左手套還是右手套,但這并不意味著手套的狀態是 “不確定” 的。
事實上,從手套被裝入盒子的那一刻起,每個盒子里手套的屬性就已經固定了 —— 要么是左手套,要么是右手套,只是我們暫時沒有通過觀測獲取這一信息罷了。愛因斯坦認為,量子糾纏中的粒子狀態,就應該像盒子里的手套一樣,在觀測之前就已經是確定的,所謂的 “疊加態”,不過是我們對粒子真實狀態的 “無知” 而已。
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然而,哥本哈根學派卻給出了完全不同的解讀。在他們看來,如果將硬幣和手套置于量子世界的規則下,情況會發生根本性的改變:空中的硬幣并非 “暫時未知朝向”,而是真的處于 “正面朝上” 與 “反面朝上” 的疊加態;密封盒子里的手套也不是 “早已確定左右手屬性”,而是同時處于 “左手套” 與 “右手套” 的疊加態。只有當我們進行觀測 —— 無論是看到硬幣落地,還是打開手套盒子 —— 的那一瞬間,粒子(或宏觀物體在量子情境下)的疊加態才會發生 “坍縮”,從多種可能的狀態中確定為一種具體的狀態。
這種坍縮不僅發生在被直接觀測的粒子身上,還會瞬間影響到與之糾纏的另一個粒子。就像當我們打開其中一個裝有手套的盒子,發現里面是左手套時,另一個遠在千里之外的盒子里的手套,會瞬間從 “左右手疊加態” 坍縮為 “右手套”。這就仿佛兩個手套之間存在一種神秘的 “溝通”:當其中一個確定了自己的屬性后,會立刻 “告知” 另一個,讓它也確定對應的屬性。
這種 “瞬間溝通” 的現象,正是愛因斯坦最無法接受的地方,他將其稱為 “幽靈般的超距作用”。按照經典物理學的認知,任何信息的傳遞都需要借助某種介質,并且傳遞速度不能超過光速 —— 這是愛因斯坦相對論的核心基礎之一。但量子糾纏的這種 “瞬間影響”,似乎完全無視了光速的限制,甚至有研究表明,其作用速度可能遠超光速,達到光速的 10000 倍以上。
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要知道,光速限制是相對論的基石。如果這一限制被打破,整個相對論體系都將面臨崩塌的風險,而建立在相對論基礎上的現代物理學框架也會受到巨大沖擊。因此,愛因斯坦始終堅信,量子力學的這種描述是不完整的,在其背后一定存在某種尚未被發現的 “隱變量”—— 正是這些隱變量,預先決定了糾纏粒子的屬性,只是我們目前還無法探測到它們。就像手套在裝入盒子前,其左右手屬性就已經由制作過程中的 “隱變量”(如裁剪方式、縫制方向)決定,觀測只是讓我們了解到了早已存在的事實,而非改變了粒子的狀態。
為了捍衛自己的觀點,愛因斯坦與哥本哈根學派的代表人物玻爾展開了長達數十年的激烈辯論。這場辯論不僅是兩位物理學巨匠個人學術觀點的碰撞,更是兩種截然不同的科學認知體系的交鋒。遺憾的是,直到 1955 年愛因斯坦去世,這場辯論也未能得出明確的結論,量子糾纏的本質依舊籠罩在迷霧之中。
轉機出現在 20 世紀 60 年代。著名物理學家約翰?貝爾提出了一個極具開創性的理論 —— 貝爾不等式。這一不等式為檢驗量子力學的正確性和 “隱變量” 是否存在提供了可操作的實驗方法。貝爾不等式的核心邏輯是:如果愛因斯坦所假設的 “局域性隱變量” 確實存在(即粒子的屬性在觀測前已由隱變量決定,且信息傳遞不超過光速),那么在特定的實驗中,觀測結果必然滿足這一不等式;反之,如果不等式不成立,則說明 “局域性隱變量” 并不存在,量子力學的哥本哈根詮釋是正確的。
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此后數十年間,物理學家們圍繞貝爾不等式展開了一系列精密的實驗。從早期實驗室中的小規模實驗,到后來利用衛星進行的遠距離量子糾纏實驗,所有結果都指向同一個結論:貝爾不等式不成立。這意味著,愛因斯坦所堅信的 “局域性隱變量” 并不存在,量子世界的不確定性和疊加態并非源于我們的 “無知”,而是微觀粒子本身固有的屬性。哥本哈根學派的觀點,在這場持續了半個多世紀的辯論中,最終占據了上風 —— 至少在目前的科學認知水平下,愛因斯坦的觀點被證明是錯誤的。
看到這里,很多人可能會產生疑問:既然量子糾纏的作用速度遠超光速,那是不是意味著相對論已經被推翻了?答案顯然是否定的。因為哥本哈根學派所描述的量子糾纏,雖然能讓兩個粒子瞬間產生關聯,但這種關聯并不能傳遞任何有用的信息。我們無法通過改變其中一個粒子的狀態,來向另一個粒子傳遞特定的信號 —— 比如 “0” 或 “1” 這樣的二進制信息。
舉個例子來說,當我們觀測到一個粒子的自旋方向為 “向上” 時,雖然能瞬間知道另一個粒子的自旋方向為 “向下”,但這種 “知道” 僅僅是對一個已有的關聯結果的確認,而非通過操控前一個粒子的狀態,主動向另一個粒子傳遞了信息。就像我們同時拋出兩個朝向相反的硬幣,當看到其中一個是正面時,自然知道另一個是反面,但這并不意味著我們通過第一個硬幣向第二個硬幣傳遞了信息。由于量子糾纏無法傳遞信息,因此它并不違背相對論中 “光速是信息傳遞的最大速度” 這一核心原則。
也正因為如此,我們無法利用量子糾纏實現像科幻電影中那樣的 “瞬間移動”—— 將一個物體從一個地方瞬間傳送到另一個地方。同時,那些將量子糾纏與 “靈魂感應”“第六感” 等超自然現象聯系起來的說法,也完全是無稽之談。量子糾纏是嚴格遵循物理規律的科學現象,與任何超自然力量都沒有關系。
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雖然量子糾纏不能直接用于傳遞信息,但它在信息安全領域卻展現出了巨大的應用價值 —— 這就是近年來備受關注的 “量子通信”。很多人對量子通信存在誤解,認為它是利用量子糾纏直接傳遞信息,其實不然。量子通信的核心是利用量子的疊加態和糾纏效應,實現 “量子隱形傳態” 和 “量子密鑰分發”,其本質是為傳統的信息傳遞提供一種無法被破解的加密方式。
在傳統的信息加密技術中,我們通常會使用一組復雜的密碼對信息進行加密。密碼的復雜度越高,被破解的難度就越大。但無論密碼多么復雜,理論上都存在被破解的可能 —— 只要攻擊者擁有足夠強大的計算能力,就能通過暴力破解或算法分析找到密碼的規律。更危險的是,攻擊者在破解密碼的過程中,往往不會留下任何痕跡,信息的發送者和接收者可能在很長一段時間內都無法察覺信息已被竊取。
而量子通信的加密方式,則從根本上解決了這一問題。
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一方面,量子通信所使用的密鑰是通過量子糾纏生成的,這種密鑰具有 “絕對隨機性”。我們日常生活中所說的 “隨機”,其實大多是 “偽隨機”—— 比如電腦生成的隨機數,看似沒有規律,實則是通過特定的算法計算出來的,只要掌握了算法,就能預測出后續的 “隨機數”;甚至我們憑直覺想到的幾個數字,也會受到個人記憶、思維習慣等因素的影響,并非真正的隨機。但量子密鑰的隨機性來源于量子粒子的疊加態 —— 在觀測之前,粒子的狀態是完全不確定的,觀測結果也是純粹隨機的,沒有任何規律可循。這種絕對隨機性意味著,即使是信息的發送者,在觀測之前也不知道密鑰的具體內容,攻擊者自然更無從破解。
另一方面,量子通信具有 “不可竊聽” 的特性。根據量子力學的基本原理,任何對量子系統的觀測都會干擾系統的狀態,導致粒子的疊加態坍縮。如果攻擊者試圖竊取量子密鑰,就必須對量子粒子進行觀測,而這種觀測行為會立刻改變粒子的狀態,導致密鑰發生變化。此時,信息的發送者和接收者會瞬間發現密鑰的異常,從而意識到有人在竊取信息,并立即采取措施 —— 比如終止通信、重新生成密鑰等。這種 “一旦竊聽就會被發現” 的特性,讓量子通信成為了目前最安全的信息傳輸方式之一。
除了量子通信,量子力學在我們的日常生活中還有著諸多廣泛的應用,只是很多人沒有意識到而已。比如我們每天使用的電腦、手機、平板電腦中的芯片,其核心部件 —— 晶體管的工作原理,就依賴于量子力學中的 “隧道效應”。
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在微觀尺度下,電子可以像 “穿墻” 一樣,越過原本無法逾越的能量壁壘,這一現象正是晶體管能夠實現開關功能的關鍵。
再比如,科學家用來觀測微觀世界的 “電子隧道顯微鏡”,也是利用量子隧道效應制成的。它能夠讓人類直接 “看到” 原子的排列結構,為材料科學、生物學等領域的研究提供了強大的工具。甚至我們賴以生存的太陽,其發光發熱的能量來源 —— 核聚變反應,也與量子力學密切相關。在太陽內部的高溫高壓環境下,氫原子核之所以能夠克服靜電斥力相互碰撞融合,形成氦原子核并釋放出巨大能量,正是得益于量子力學中的 “量子隧穿” 現象。
回顧量子力學的發展歷程,我們不難發現,這門學科雖然充滿了與日常認知相悖的 “詭異” 現象,但其科學性和精確性早已被無數實驗和應用所證實。人類目前雖然尚未完全參透量子力學的本質和底層邏輯 —— 比如 “波函數坍縮” 的具體機制、量子糾纏的深層物理意義等,但這并不妨礙我們利用量子力學的規律來為人類服務。
這就像古代人類雖然不知道 “引力” 是什么,也無法解釋蘋果為什么會落地,但他們依然能夠利用引力的規律 —— 比如建造拱橋、設計水車,來改善生活。科學的發展往往是一個 “先應用、后理解” 的過程,量子力學的發展也不例外。隨著研究的不斷深入,我們或許會在未來揭開更多量子世界的奧秘,甚至可能發現目前的理論存在缺陷,但這正是科學的魅力所在 —— 它永遠不會停留在現有的認知水平上,而是在不斷的質疑、探索和驗證中,向著更接近真理的方向前進。
看到這里,你或許對量子力學和量子糾纏有了更清晰的認識,也可能產生了更多新的疑問。其實,這是一種非常正常的現象。正如著名物理學家霍金所說:“知識就像一個圓,圓內是已知的,圓外是未知的。你知道得越多,圓的周長就越長,接觸到的未知也就越多。” 這里的 “未知” 并非貶義,而是推動科學進步的動力。
那些真正阻礙我們認知提升的,是對未知的恐懼和對新事物的排斥。
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很多人之所以會被 “量子波動速讀” 這類偽科學騙局欺騙,正是因為缺乏基本的科學素養,對量子力學的概念一知半解,卻又不愿意花時間去學習和了解。而推廣基礎科普的意義,就在于幫助更多人建立科學的思維方式,學會辨別真偽,避免被謠言和騙局誤導。
當然,僅憑一篇科普文章,很難將量子力學這樣一門深奧的學科完全詮釋清楚。我寫下這篇文章的初衷,只是希望能為大家打開一扇了解量子世界的大門,讓更多人感受到量子力學的神奇與魅力,激發大家對科學的興趣。國內的基礎科普工作確實面臨著諸多困難 —— 比如優質科普內容匱乏、公眾對科普的重視程度不足、網絡上充斥著大量誤導性信息等,但只要有更多人愿意參與到科普工作中來,哪怕只是貢獻自己的微薄之力,也能讓科學的種子在更多人的心中生根發芽。
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