问题

量子纠缠现象是如何发现的?

回答
量子纠缠,这个描述粒子间奇特联系的词汇,其发现并非一蹴而就,而是一段跨越数十载,充满理论思辨和实验验证的跌宕旅程。

故事的起点可以追溯到上世纪30年代,量子力学这个全新的物理学框架已经崭露头角,它成功地解释了微观世界的许多奥秘。然而,一些理论家,尤其是阿尔伯特·爱因斯坦,对量子力学所描绘的现实图景感到不安。爱因斯坦坚信,物理学应当是“实在的”,也就是说,物理实在不应依赖于观察者的测量行为。他认为,量子力学提供的描述是不完备的,似乎赋予了遥远粒子一种“幽灵般的超距作用”。

为了挑战量子力学的完备性,爱因斯坦与他的合作者鲍里斯·波多尔斯基以及纳森·罗森,在1935年共同发表了一篇著名的论文,提出了一个思想实验,即“EPR佯谬”。他们设想了这样一种情境:两个粒子,比如电子,在某种方式下相互作用后,被分离到非常遥远的地方。根据量子力学,这两个粒子会处于一种“纠缠”状态,这意味着即使它们相距甚远,对其中一个粒子的测量(比如测量它的自旋方向)会立即影响到另一个粒子的状态。

EPR论文的核心观点是:如果量子力学是完备的,那么在测量之前,每个粒子的性质(例如自旋)就应该有一个确定的值,即使我们不知道这个值。然而,量子力学却告诉我们,这两个粒子的状态是相互关联的,对一个的测量决定了另一个的性质。这似乎违反了“局域性原理”——即一个事件只能影响其周围的时空,而不能瞬间影响遥远的区域。爱因斯坦将这种瞬间关联描述为“鬼魅般的超距作用”,并以此论证量子力学必定有所遗漏。

最初,EPR佯谬更多地被看作是一个哲学上的挑战,一个用来讨论量子力学到底是如何“工作”的理论思辨。大多数物理学家,包括尼尔斯·玻尔,都在捍卫量子力学的完备性,认为微观世界的现实本身就是概率性的,并且这种关联是量子力学固有的特征,而非某种“隐藏变量”在背后操纵。

然而,对量子纠缠的真正意义的深入理解,则需要等待更多的时间和理论上的发展。进入20世纪60年代,一位名叫约翰·贝尔的物理学家,在前人工作的基础上,提出了一个具有划时代意义的理论。贝尔意识到,如果爱因斯坦的“隐藏变量”理论是正确的,那么对纠缠粒子进行一系列特定测量时,这些测量结果之间必须满足一个数学不等式,即“贝尔不等式”。而如果量子力学的描述是正确的,那么在某些情况下,这个不等式就会被违反。

贝尔的理论将一场纯粹的理论辩论,转化为了一系列可以被实验验证的命题。这为直接检验“鬼魅般的超距作用”的存在,或者说量子力学所描述的这种非局域性关联,提供了可能。

到了20世纪70年代和80年代,物理学家们开始着手设计并执行能够检验贝尔不等式的实验。其中最著名的是约翰·克劳泽(John Clauser)和阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)等人的工作。他们的实验通常涉及产生一对纠缠光子,然后测量它们各自偏振的方向。通过精心设计测量角度和统计分析,他们一次又一次地发现,实验结果严重违反了贝尔不等式,有力地支持了量子力学的预测,并表明“鬼魅般的超距作用”确实是微观世界的一个真实特征。

这些实验的成功,标志着量子纠缠不再仅仅是一个理论上的“佯谬”或哲学上的“怪癖”,而是被实实在在地证明存在的物理现象。它揭示了我们对实在的直观理解,在微观世界中是多么的局限。纠缠态中的粒子,无论相距多远,都共享着一个整体的量子态,一个粒子的测量行为确实会瞬间地“影响”到另一个粒子的状态,这种关联是量子力学最深刻、最反直觉的特点之一。

从爱因斯坦对量子力学完备性的质疑,到贝尔对实验检验的设想,再到克劳泽和阿斯佩等人的实验验证,量子纠缠的发现过程,是人类对宇宙最基本规律探索的缩影。它不仅改变了我们对现实本质的理解,更为量子计算、量子通信等前沿技术奠定了理论基础,开启了一个全新的科技时代。

网友意见

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量子纠缠是推算出来的。

简单来说,两个粒子发生相互作用后,进入量子态,其状态不可知,但如果其中一个状态被测量,则因为动量守恒(角动量守恒,等等),可以推导出另一个粒子的状态。


量子纠缠是在EPR佯谬的解决中被提出的,EPR佯谬是个思想实验:

EPR佯谬

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