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如果你認為量子力學是怪異的,那就去看看「糾纏時間」!

1935年夏天,物理學家阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)和埃爾溫·薛定諤(Erwin Schrodinger)對量子力學新理論的含義進行了豐富的、多層面的、有時是令人困惑的通信。

他們擔心的焦點是薛定諤後來所稱的「糾纏」:在它們相互作用之後,無法單獨描述兩個量子系統或粒子。

在他去世之前,愛因斯坦仍然堅信,糾纏表明量子力學是不完整的。薛定諤認為糾纏是新物理的決定性特徵,但這並不意味著他輕易地接受了它。

1935年7月13日,他在給愛因斯坦的信中寫道:「我當然知道這是如何用數學計算的。」「但我不喜歡這樣的理論。」

問題是,糾纏違背了世界應該如何運作。信息的傳播速度不能超過光速。

但在1935年的一篇論文中,愛因斯坦和他的合著者展示了糾纏如何導致現在所謂的量子非定域,這種奇異的聯繫似乎存在於糾纏粒子之間。

如果兩個量子系統相遇並分離,即使相隔數千光年,也不可能測量一個系統的特徵(例如它的位置、動量和極性),而不會立即將另一個系統引導到相應的狀態。

直到今天,大多數實驗都測試了空間差距的糾纏。

假設是量子非局部性的「非本地」部分,指的是跨空間的屬性的糾纏。但是,如果糾纏也發生在時間上呢?是否存在時間非定域性?

答案是肯定的。

就在你認為量子力學不會有什麼奇怪之處的時候,耶路撒冷希伯來大學的一組物理學家在2013年報告說,他們成功地將從未共存的光子糾纏在一起。

先前的實驗涉及一種叫做「糾纏交換」的技術,通過延遲測量一種共存的糾纏粒子,已經顯示出了穿越時間的量子相關性;但是Eli Megidish和他的合作者們是第一個發現光子之間的糾纏,他們的壽命完全沒有重疊。

他們是這樣做的。

首先,他們製造了一對糾纏在一起的光子,「1-2」(步驟I在下圖中)。不久之後,他們測量了光子1(描述光的振蕩方向的性質)的偏振,從而「吞噬」了它(第二步)。

光子2發送是勞而無功的事,而一個新的糾纏,「3 - 4」,創建(步驟3)。光子3然後測量隨著流動光子2這樣的糾纏關係是「交換」從舊的(「1 - 2」和「3 - 4」)到新的「2 - 3」組合(第四步)。

一段時間後(第V步),測量了唯一倖存者光子4的偏振,並將結果與長期死的光子1(在第二步)進行了比較。

結果呢?這些數據揭示了「暫時非本地」光子1和4之間存在量子關聯。也就是說,糾纏可以發生在兩個從未共存的量子系統中。

這究竟意味著什麼?乍一看,這似乎令人不安的是,在遙遠的過去——比方說,比地球生命的兩倍還多——的兩極極性,卻影響了今年冬天通過你的業餘望遠鏡觀測到的星光的極性。

更奇怪的是:也許這意味著你的眼睛在今年冬天通過望遠鏡觀測到的星光的測量,某種程度上決定了超過90億歲的光子的極性。

為了避免這種情況讓你覺得太古怪,Megidish和他的同事們無法拒絕對他們的結果進行可能的和令人毛骨悚然的解釋。

也許測量光子1在第二步的偏振,以某種方式使未來的兩極分化為4,或者測量光子4在第五步的極化,以某種方式重寫了過去的光子1的極化狀態。

在向前和向後的方向上,量子關係跨越了一個光子的死亡和另一個光子的誕生之間的因果關係。

不過,僅僅一勺相對論就能幫助幽靈走下去。

在發展狹義相對論的過程中,愛因斯坦從牛頓的理論基礎上推翻了同時性的概念。

因此,同時性從一個絕對的屬性變成了一個相對的屬性。宇宙中沒有單一的計時員;確切地說,當某件事發生時,取決於你的精確位置相對於你所觀察到的,被稱為你的參照系。

因此,避免奇怪的因果行為(轉向未來或重寫過去)的關鍵在於,在時間間隔的情況下,我們可以接受這樣的事實:將事件「同時」進行「同時」並沒有什麼形而上的意義。

它只是一種特定於框架的財產,是許多可選擇但同樣可行的選擇之一。

這個教訓直接影響到時空量子非定域性。

關於糾纏對粒子的謎團,涉及到關於標籤的爭論,這是由相對論引起的。

愛因斯坦指出,沒有任何一種事件可以是形而上學的特權——可以被認為是比其他任何事物都更真實。只有接受這一觀點,才能在這類量子難題上取得進展。

希伯來大學實驗的各種參照系(實驗室的框架、光子1的框架、光子4的框架等等)都有自己的「歷史」。

雖然這些歷史學家對事情的進展持不同意見,但他們中沒有一個人能在真理上提出異議。根據時空的觀點,每一個事件都有不同的順序。

顯然,任何試圖分配特定框架的屬性,或者將一般屬性綁定到一個特定的框架,都會引起歷史學家的爭論。

但問題是:雖然對於哪些屬性應該分配給哪些粒子,以及何時應該分配哪些屬性存在合理的分歧,但對於這些性質、粒子和事件的存在,不應該存在分歧。

這些發現推動了我們所鍾愛的經典直覺和量子力學的經驗現實之間的又一個鴻溝。

對於薛定諤和他同時代的人來說,科學的進步將涉及到研究某些形而上學觀點的局限性。

大多數當代關於客體與屬性之間關係的哲學論述,僅僅是從空間非定域性的角度來看待糾纏。

但仍有大量工作要做合併時間非定域性,不僅在對象屬性的討論,而且在爭論材料組成(如一塊粘土和雕像的關係形式),和part-whole關係(如手如何關聯到它的一個肢體,或肢體的人)。

例如,「拼圖」如何與整體相適應,假定底層組件之間有明確的空間邊界,而空間非本地則反對這種觀點。時間的非局部性使這幅圖更加複雜:一個人如何描述他的組成部分根本不存在的實體?

識別糾纏的本質有時可能是一個不舒服的項目。對於像Megidish這樣的物理學家和其他物理學家進行的一項引人入勝的新研究,究竟什麼是實質性的形而上學,尚不清楚。

在一封致愛因斯坦的信中,薛定諤挖苦地說(並運用了一個奇怪的比喻):「人們有這樣一種感覺,那就是新理論中最重要的表述,可以真正被塞進這些西班牙人的皮靴里——但只是有困難。」

我們不能忽視未來形而上學中空間或時間的非局部性:不管靴子是否合適,我們都得穿。

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