量子会相互纠缠,那么它的本质原因有哪些?
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发布时间：2022-05-22 12:12
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时间：2024-03-08 07:16
量子纠缠是量子力学所预言的一种特殊现象，是指多个微观粒子的量子态存在的一种相关性，在不确定性原理下表现出一种超距作用。如果你看不太明白上面这句话，就只能继续看下文了……量子力学哪有一句话能讲清楚的……
起源——决定论与非决定论之争
在上世纪2、30年代，在普朗克、爱因斯坦等人所建立的旧量子论基础上，发展起了以玻尔为首的哥本哈根学派为代表的量子力学，它的核心思想是海森堡所提出并由玻尔修正完善的不确定性原理。这个原理指出，微观粒子的状态——量子态在本质上是不确定的，而非由于测量技术的*导致无法确定。这意味着力学理论无法在物理层面上对微观粒子进行精确预言！
作为决定论的坚决拥护者，爱因斯坦对这种观点进行了严厉的驳斥，与玻尔为首的哥本哈根学派进行了多次激烈辩论。他有一句不讲道理的名言：“上帝不掷骰子！”以表达他对决定论的信仰。玻尔毫不退让地针锋相对：“别干涉上帝做什么。”
一个由反对者提出的理论预言
用信念去驳斥科学理论是无力的，于是爱因斯坦想出了各种思想实验企图证明哥本哈根学派的量子力学之荒谬，但都被玻尔等人一一化解。最后，爱因斯坦跟同事波多尔斯基和助手罗森三人共同发表了一篇论文《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》驳斥哥本哈根学派的量子力学。该论文后来以三人的名字首字母命名为EPR论文，他们根据哥本哈根诠释提出一个违背狭义相对论的量子现象：
以特殊方式制造一对光子，然后用光路把它们分开到足够远，比如相隔1光年，基于守恒定律，这两个同时产生的光子的量子态存在某些关联，比如自旋方向和动量。也就是当我们测量其中一个的某个状态，就必然同时得到另一个的对应状态。如果按照哥本哈根学派所说的，微观粒子在测量前并不存在确定的状态，在测量后才随机坍缩到一个随机的状态，那么当我们测量这对量子态相关联的光子其中一个，我们获得它的某个状态，我们也同时知道了一光年外那个关联光子的对应状态。那么问题来了，如果光子A的状态是测量时才随机确定的，那一光年外的关联光子B又是怎么瞬时获得光子A的状态，从而选择坍缩到对应的状态？这显然超光速了！
爱因斯坦等人认为，这对光子的状态是在产生的那一刻就确定的，无论此后分隔多么遥远，两者的状态都不会改变，因此我们测量其中一个就能同时知道另一个。爱因斯坦等人提出的这一理论预言相当致命，直接把哥本哈根学派的量子力学推到了狭义相对论的对立面。
玻尔的反击
哥本哈根学派的大BOSS玻尔当然不同意爱因斯坦的观点，但他同时也不愿意挑战狭义相对论的正确性，他眉头一皱计上心头：光子对的状态并不是制造时就确定的，在测量前甚至不存在两个光子，而是所有可能状态的叠加，这些叠加的状态里就包含了产生两个关联光子的所有状态。也就是说在测量时，不是两个关联光子的波函数（描述微观粒子的状态函数）分别坍缩，而是一个波函数坍缩产生了两个关联的光子。
这样，玻尔成功避免了两个光子需要超光速通信的尴尬。因此这个由爱因斯坦发现的“悖论”实际上并非悖论，后来被称为EPR佯谬，波函数的提出者薛定谔给他起名：量子纠缠。
有同学可能要问了，一个波函数坍缩出两个相隔1光年的光子不还是超光速了吗？但量子力学就是这么不讲道理，因为波函数本身就是全空间分布的，波函数坍缩也是全空间坍缩的，无论坍缩到的是1个光子还是100个光子其实都一样。如果认为坍缩到两个光子就是超光速，那么其实坍缩到一个光子你也会认为超光速！比如单光子波函数的全空间坍缩，你就会问，其余所有可能位置的这个光子怎么知道自己已经坍缩到被测量到的那个位置了？如下图：
波函数坍缩这个过程，作为量子论奠基人的爱因斯坦是接受的，因为有实验依据，他当然不会认为在薛定谔波动力学描述的波函数坍缩到海森堡矩阵力学描述的光子时，测量到的光子还要通知其余位置的光子不要出现……这画面想想都觉得搞笑……
因此我们可以认为爱因斯坦对玻尔的反击虽然不接受，但没有异议。
问题的答案
回顾完量子纠缠提出的历史，我们要来回到开头的问题：量子为什么会相互纠缠？
答案是：因为守恒。无论是动量守恒、角动量守恒还是各自守恒，一堆关联在一起的微观粒子的整体物理量都必须守恒！
第二个问题：量子纠缠的超距作用的本质原因是什么？
答案是：微观粒子的叠加态。
终极问题：叠加态本质上又是什么原因导致的？
答案是：不知道……这就是一个物理事实，不知道为什么……
最后的忠告：
不要尝试从逻辑上理解量子力学。
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时间：2024-03-08 07:17
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