量子纠缠为什么超过光速？

明曲

量子纠缠为什么超过光速？

转自：量子科学

     量子纠缠是最难以理解的自然现象，没有之一。连爱因斯坦那样的伟大科学家，都称之为“鬼魅般的超距作用”。

     在量子物理学里，几个粒子在彼此相互作用后，会综合成为一个整体，这时候就无法单独地描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，这现象被称为量子纠缠。

     以爱因斯坦为代表的旧量子派，一个量子系统分离成两个量子系统后，二者之间便不存在关联。如果有关联，就会出现“爱丽丝观测到电子自旋为上旋，鲍勃观测到正电子自旋也是上旋，或者爱丽丝观测到电子自旋为下旋，鲍勃观测到正电子自旋也是上旋”的情况。电子和正电子是由零自旋中性π介子自发衰而来，电子自旋方向与正电子自旋方向必须正好相反，电子上旋与正电子下旋，相互抵消正好为零。爱因斯坦在逻辑上无疑是正确的。

     以波尔为代表的新量子派，坚信两个分离量子系统仍然存在关联。只是当时技术条件的限制，波尔拿不出来有力的证据来。

     旧量子派和新量子派的争论，一度陷入以概念反驳概念的哲学之争。

     好在贝尔提出了不等式：∣Pxz-Pzy∣≤1+Pxy，将一个长期争论不休的哲学问题，变成一个可供实验判决的科学问题。贝尔不等式的推导过程非常复杂，要求的技术条件也很高。这里不做详细的推导介绍。贝尔不等式的实验结果表明两个事实：分离后的两个量子系统存在着关联；量子不确定性是量子的本质属性，并不是因为观察技术欠缺而导致观察得不到确定的结果。         

     分离后的两个量子系统存在着关联。当爱丽丝对电子进行观测的时候，电子自旋的叠加态坍缩，同时，正电子的自旋叠加态也坍缩，电子的自旋为上旋，正电子的自旋一定为下旋，反之亦然。同样，当鲍勃对正电子进行观测，正电子与电子的自旋叠加态同时坍缩，自旋方向也必然正好相反。这样的观测结果与能量守恒定律相符。

     爱因斯坦是量子论的创始人，他反对新量子派，不等于他完全反对量子论。他反对的是违背时空因果律的新量子论。两个分离的量子系统，中间没有任何介质，却能够相互关联，而且这种关联相互影响是瞬时的，比光速还要快。这种反直觉经验反时空因果律的“鬼魅现象”，爱因斯坦想不通，一百年后的你和我，同样也想不通。

量子纠缠的速度为什么超过光速？

     两个相互纠缠的粒子，无论相距多么遥远，只要其中一个被观测，另一个瞬间就会“感知”。爱因斯坦将这种不可思议的现象戏称为“鬼魅般的超距作用”。量子纠缠的“瞬时超距作用”，违反了相对论中信息传递不能超过光速的设定。爱因斯坦与薛定谔都感到很“纠结”。

     在思考量子力学问题的时候，我们会不自觉地把经典物理学的绝对时空观带进来。这是造成我们苦恼的根本原因。

     速度是什么？空间是什么？时间是什么？物质是什么？把这四个基本问题重新思考，或许我们会得到答案。

     用经典的时空概念，无法解释量子纠缠。瞬时超距作用，究竟是什么“鬼怪”一般的存在？也许，我们需要建立一种新的时空观念，才能理解。

     经典的时空观念认为:时间均匀地流淌，与任何外部事物都无关；空间就如同舞台背景，独立存在于事物变化之外。时间、空间和物质，三者之间没有什么关联，各自为政。爱因斯坦的广义相对论打破了绝对时空观，认为物质的质量变化能引起时空扭曲，时间、空间和物质之间存在着密不可分的内在联系。时空的几何结构是引力存在的表现形式。

     在我们的头脑里面，存在着一个顽固的定域性观念：一个特定物体，只能被它周围的力量影响；某一点的行动，要传递到另一点，中间必须要借助某种媒介。例如，一个光子，必须借助电磁场，才能从一点运动到另一点。

     不打破定域性的三维时空观念，永远无法理解量子纠缠。

     随着科学研究的不断推进，人们对时空基本性质的认识，也在逐渐深入。

     2006年，比伊利诺伊大学的科学家发现了时空的几何结构与量子纠缠存在着关联。

     2013年，普林斯顿高等研究院的物理学家和斯坦福大学的物理学家在合作研究中发现，如果两个黑洞纠缠在一起，它们就会产生虫洞，即广义相对论中所预言的一种时空捷径。这项发现及进一步的数据计算表明：过去被认为不涉及实体联系的量子纠缠，竟然能够产生出时空结构。

     量子纠缠能产生时空结构，说明“时空并不是前提，而是结果”。换而言之，时空并不是量子纠缠的场所，而是量子纠缠的产物。是物质联系产生了时空，而不是时空本来就存在那里等待物质去填充。时空并不是一个最基本的存在。

     在量子力学里面，物质和时空是有机的统一体:没有物质，就没有时空；没有时空，就没有物质；物质产生，则时空产生；物质消失，则时空消失；物质是离散的，时空也是离散的；虚空处于“有”与“无”的叠加态，观察导致虚空坍缩为“有”的确定状态；物质是凝固的时空，时空是融化的物质。

     两个纠缠粒子分离的过程，实质上是它们创造新时空的过程。两个粒子在分离的过程中建立了它们自己的新时空。当其中一个被观察，另一个立刻便“感知”，实质上它们本来就一直都是一个整体。在微观量子世界，联系是根本，时空区隔不是问题。量子纠缠更能深刻地描述宇宙万物的普遍联系。

     量子纠缠创造的时空，可能超过了三维。这样，理解量子纠缠的“瞬时超距作用”就容易了。如果将时空看成是一张平面的纸，那么发生纠缠的两点之间肯定存在着距离；如果将纸对折，就形成了高维时空，那么两个点就正好合并变成一个点，这样纠缠之间当然就不存在距离了。

     突破经典物理的时空观，用量子物理的时空观去思考量子纠缠的奇特现象，或许会有所突破。量子系统的时空，与作为观察者人类的时空，属于各自不同的时空。而人类却用自己在宏观世界感受到的时空去衡量微观量子世界的时空，自然会感觉奇异。各自的尺子都不一样，怎么会得到同样的观测结果呢？

     “量子纠缠速度超过光速”本就是一个错误的问题。量子纠缠的传输，是瞬时的超距作用。严格地说，量子纠缠，属于时空联系和时空运动，不是物质传输和物质运动，不能用“光速”这个经典概念去衡量它。我们常常在网络上看见“量子纠缠的传输速度是光速的XX倍”，其实是将经典概念与量子概念混为一谈的说法。

     正是因为量子纠缠具有瞬时超距作用的能力，所以才使得宇宙万物之间建立普遍联系成为可能，我们栖居的宇宙作为一个整体才成为可能。或许，要从这个层面来理解“天人合一”，才会更深刻。曾经有人将宇宙视为一个生命整体，但一直被认为是一种猜测。在量子纠缠原理的指导下，也许有一天，这种猜测会成为科学事实。

     时至到今日，我们仍然不知道量子纠缠的深层次本质原因，但我们可以确定它真真实实地存在着，而且还越来越多地掌握了它的具体运作机制。量子纠缠，既是量子加密通信的核心原理，也是量子计算的核心原理。量子纠缠，将成为未来社会最重要的量子资源之一。2017年6月16日，墨子号量子科学实验卫星实现了，两个光子1200公里量子纠缠。2019年，谷歌设计的量子计算机，证实了量子的优越性。

     二十一世纪是量子力学的运用时代，量子纠缠已经成为一种资源，被运用到量子加密通讯和量子计算之中。量子加密通讯、量子计算机等一系列的量子技术，必将引发一场新的工业革命和信息革命。我相信，在运用的过程之中，量子理论会随着一个个的技术突破，而得到突破。一旦认清了纠缠的机制，就能够理解时空是怎么涌现出来。