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量子糾纏速度達到光速10000倍,有沒有違反相對論?

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量子糾纏并非傳統(tǒng)意義上具有速度概念的現象,它是微觀世界粒子所固有的一種獨特特性。

量子力學理論指出,當幾個粒子彼此相互作用后,奇妙的事情發(fā)生了:粒子原本各自獨立的個性仿佛瞬間消失,轉而擁有了一種整體性的特性。



此時,我們無法再孤立地描述各個粒子的性質,而只能從整體的角度去刻畫它們。這一神奇的現象,便是所謂的量子糾纏,也被稱為量子纏結。即便將這群處于糾纏態(tài)的粒子分開,使它們相隔甚遠,理論上這種距離可以無限延伸,它們之間的糾纏態(tài)依舊存在。

具體來說,這種糾纏主要體現在兩個糾纏粒子的自旋方向呈現出相反的狀態(tài),通常表述為一個上旋,另一個下旋;或者一個左旋,另一個右旋。



在未對其進行觀測時,我們無法知曉究竟哪一個粒子處于何種狀態(tài),此時兩個粒子處于零自旋的糾纏態(tài),其中的上下箭頭分別直觀地表示粒子自旋的上旋和下旋狀態(tài)。

那些宣揚量子糾纏具有速度,甚至將其與所謂 “思維速度” 相提并論的觀點,實則大錯特錯。量子糾纏被誤解為超光速的緣由在于:當我們把處于糾纏態(tài)的兩個粒子分開后,對其中一個粒子進行觀測,便能立刻知曉另一個粒子的狀態(tài)。比如,當我們確定了身邊這個粒子的自旋方向,無論與之糾纏的另一個粒子身處何方,哪怕遠在宇宙的另一端,我們也能瞬間得知它的自旋方向。



有人形象地將其比喻為一雙手套,一只左手套和一只右手套分別裝在兩個盒子里。在盒子未打開之前,我們無法確定每個盒子里裝的是左手套還是右手套,此時手套處于一種 “左右手都有可能” 的疊加態(tài)。然而,一旦打開其中一個盒子,發(fā)現里面裝的是左手套,那么我們便能立刻知道另一個盒子里裝的是右手套。即便這兩個盒子相隔達 1 億光年之遙,這種 “知曉” 的過程似乎也是瞬間完成的。

但必須明確的是,這種現象與我們通常所理解的光速有著本質的區(qū)別。

光速描述的是物體在空間中行進的速度,而量子糾纏所展現的僅僅是一種 “猜謎” 般的結果獲取速度,這和一些人所認為的 “思維速度” 類似,看似想到哪里,結果就立刻呈現,可實際上并沒有任何物質在空間中發(fā)生實際的位移。

倘若非要將量子糾纏與光速進行對比,又怎能得出諸如 10000 倍這樣的倍數關系呢?以剛才 1 億光年的例子來說,我們似乎不到一秒鐘就知道了遠在 1 億光年外的那只 “手套”(對應糾纏粒子)的狀態(tài)。要知道,1 年約有 31557600 秒,1 億年則是 3155 億秒,即便假設確定那只糾纏態(tài) “手套” 的狀態(tài)花費了 1 秒鐘,其速度相較光速而言,也快了 3155 億倍。倘若距離是 100 光年,或者更遠的距離,這種看似的 “速度” 差異將更加驚人。但這顯然并非真正意義上的速度,只是一種因對量子糾纏現象誤解而產生的錯誤認知。



用手套來比喻量子糾纏雖然形象生動,便于理解,但手套畢竟屬于宏觀世界的事物,與亞原子層次的微觀粒子在性質上有著天壤之別。在微觀世界中,量子力學的不確定性原理,也就是測不準原理,起著至關重要的作用。根據這一原理,對量子的觀測行為必然會對量子的運動狀態(tài)產生影響,這就為量子糾纏帶來了一個難以破解的悖論。

具體而言,當我們試圖觀測處于糾纏態(tài)的兩個粒子中的任何一個時,觀測行為本身就會徹底改變這個粒子的運動狀態(tài),使得我們無法同時精確地知曉粒子的位置和動量。同樣的道理,對于另一個與之糾纏的粒子,由于觀測的不確定性,我們也無法確切地對其進行觀測確定。所以,從本質上講,量子糾纏并不涉及信息的實際傳遞以及能量的傳輸,它僅僅是量子力學中對微觀世界粒子特殊性質的一種理論表述。

量子通信正是巧妙地利用了量子的不確定性原理,結合量子糾纏、量子不可克隆定理以及隱形傳態(tài)等獨特特性,來實現密鑰的分發(fā),從而極大地提升了通訊過程中的安全保密程度。但需要強調的是,這一過程與量子糾纏的 “速度” 毫無關聯。



而且,退一步講,即便假設兩個糾纏的量子能夠實現某種信息傳遞效果,那么在現實中,我們又該如何將糾纏著的某個粒子送到數光年以外的地方呢?要知道,目前飛得最遠的人造飛行器旅行者 1 號,歷經 40 多年的漫長飛行,才僅僅行進了 223 億千米。若要飛出半徑約為 1 光年的太陽系,它還需要繼續(xù)飛行長達 17000 多年。由此可見,那些幻想著利用量子糾纏實現超光速信息傳遞的人們,首先需要思考的是如何跨越如此遙遠的距離,將糾纏粒子送到光年之外的目的地。

愛因斯坦的狹義相對論,是建立在科學界數百年積累的大量實驗數據以及深厚理論基礎之上的偉大理論。通過質速關系,狹義相對論有力地論證了真空光速是我們所處世界中最快的速度,它宛如一道不可逾越的 “天花板”,限制著物質運動的速度上限。并且,狹義相對論借助洛倫茲變換,完美且精確地揭示了真空光速不變、光速恒定以及光速不可疊加的原理。這使得光速成為現代物理學中一個最為關鍵的常數,宛如支撐起整個物理學大廈的一根重要支柱。

然而,需要注意的是,光速不變以及光速極限是有特定前提條件的,那就是物質的靜止質量不為零。只要物體具有靜止質量,無論其質量多么微小,如一個質子、一個電子或者一個中微子,都無法達到光速。狹義相對論認為,對于有靜止質量的物體而言,如果其速度達到光速,那么它的動能將會趨于無窮大。但我們知道,整個宇宙的質能總量并非無窮無盡,因此這顯然是一個自相矛盾的悖論。這也就意味著,任何具有靜質量的物體,不要說超過光速,哪怕僅僅是達到光速,整個基于現有物理規(guī)律構建的世界都將陷入崩潰。



質速關系可以通過公式清晰地表達為:m = m0 / √(1 - v2 /c2)。在這個公式中,m 表示相對論質量,m0 代表靜質量,v 表示物體的運動速度,c 則是光速,其準確值為 c = 299792458m/s。從這個公式中,我們可以直觀地看出,物體的慣性質量會隨著其運動速度的增加而不斷增大,當速度趨于光速時,慣性質量將趨于無限大。

在我們所認知的世界里,確實存在或者可能存在一些看似超光速的現象,比如量子糾纏、宇宙膨脹、蟲洞穿越以及曲速航行等。



但實際上,這些現象都不屬于物質運動速度的范疇。它們僅僅是在特定條件下呈現出的一種表面上超越光速的現象,本質上與物質在空間中實實在在的運動速度毫無關系。量子糾纏作為微觀世界的獨特現象,以其神秘性和特殊性挑戰(zhàn)著我們的傳統(tǒng)認知,但我們必須正確理解它的本質,避免陷入對其速度的錯誤解讀,從而更好地探索微觀世界的奧秘以及推動相關科學領域的發(fā)展。

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