翠湖日记(75)：量子、量子力学与量子纠缠

2021-07-25 11:05阅读：

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2021年7月25日（No.75）

量子、量子力学与量子纠缠

翠湖日记(75)：量子、量子力学与量子纠缠

如果你兴趣广泛、知识面广，且关心人类的未来，读这本《量子纠缠》，你一定不会失望。如果你还具有足够的科学知识，你甚至会“手不释卷”，一口气读完全书。
然而，这本书的翻译水准，或许值得讨论。比如，封面上的“The God Effect”,其直白性的原意为“神的效果”或“是神，让这样的事情发生”，本书译者将其翻译为“上帝效应”，值得商榷。最准确最精妙的译法，是将其译为“上帝的意志”。此外，在阅读此书的过程中，我遇到若干“语意不明”或“自相矛盾”之处，我怀疑这两个问题是由翻译不当造成的。如果我手头有英文原版书，我愿意随机抽取一章，逐一列出其翻译不当之处。
上面的话只是“引子”，目的是引出关于量子、量子力学与量子纠缠的讨论。顺便说一下，本文的讨论，只是科普层面的讨论，并非是量子力学专业层面的讨论。

一、什么是量子
通过参阅有关资料，通过与友人的讨论，通过再三的思考与研

究，我的认识是：
量子，即“量”之“子”，即物理“量”的不可再分割的“最小单位”。一个物理量如果存在最小的不可再分割的基本单位，则这个物理量应看作可量子化的量，人们把这个最小单位的物理量或这个物理量的最小单位，称为量子。
由于“物理量”指时间、长度、质量、电流强度、温度、光强度、频率、密度、张力、压强等物理学研究中常用的量，这些物理量，有的有最小单位，有的则没有，因此量子概念只适用于具有最小单位的物理量。
量子的基本特征为：
其一，量子是物理量向微观世界细分下去的最小单位。其具体内容，具有不确定性。例如，在德国物理学家普朗克的“黑体辐射中的辐射能量”研究中，量子指该辐射能量的最小单位。
其二，量子具有分立化、离散化（即不连续）特征。在上述普朗克研究中，其假定存在的辐射能量的量子，相互间是分立、离散、不连续的。
其三，与量子概念有关的量子力学，研究的是微观世界，换句话说，量子是微观世界研究中产生的物理概念，与量子力学有关的研究结果，与牛顿力学有很大区别。例如，光子、胶子等量子，由于没有质量，其运动根本无法用牛顿力学来解释；即使有质量，牛顿力学也派不上用场。
其四，由于量子的具体内容具有一定抽象性与不确定性，因而在具体研究中，其具体内容需要具体化。例如，“光子”概念就是诸多研究中“量子”概念的具体化；而在普朗克的研究中，“量子”则指“黑体辐射”中最小单位的“辐射能量”。
其五，由于与量子研究有关的理论与实践具有创新与不成熟特征，量子概念与有关理论，还在进一步的研究、发展与成熟之中，一些假说还没有得到充分证明，但这一研究曙光已现，前途或许无量。
目前，一般认为最先提出“量子”概念的科学家是普朗克。但上文谈到的《量子纠缠》一书第9页却告诉我们：1900年，“普朗克将物质辐射或吸收的电磁能量划分成了固定单位（后来爱因斯坦将其称为量子）。”其言下之意是：普朗克的划分，使自己的研究中出现了后来被人们称为“量子”的电磁能量单位，但普朗克并未称之为“量子”，是爱因斯坦最先称之为“量子”的。
我们可以肯定的是，早期的量子研究代表人物有三位：普朗克、爱因斯坦、玻尔。
在阅读有关科学文献时，我的感觉是：人们在使用量子概念时，所强调的往往是有关物理量的“粒子”或“基本粒子”属性。

二、什么是量子力学
有人告诉我，给“量子力学”下定义很困难；这事儿，往往连专业的物理学家都不愿意做。为了帮助读者理解什么是量子力学，我愿意做这很可能是“吃力不讨好”的事。
先要说明：百度百科《量子力学》词条，对量子力学做了不错的解释与定义，读者可以参阅。
我觉得在理解什么是“量子力学“时，我们应当把握如下几个要点：
其一，量子力学是研究物质世界微观粒子的物理学分支。人们发现传统的经典性物理学理论，无法解释微观世界中的物理现象，为了描述、解释微观世界中粒子间的互相作用，人们创造出量子力学。
其二，总的说来，在人类历史长河中，当前的量子力学尚在初创阶段，诸多概念并未成熟，诸多猜想尚未得到证实，某些已得到证实的猜想尚未得到可信的解释。总的说来，量子力学的前景，具有一定的不确定性。
其三，量子力学创立于20世纪初，其代表人物有海森堡、狄拉克、薛定谔等。
（顺便说一下，著名的奥地利科学泰斗薛定谔的“薛定谔方程”，正是量子力学领域的基本方程。该方程描述的是微观粒子的状态随时间变化的规律。）
其四，量子力学与相对论一起，构成区别于传统的经典物理学的“现代物理学“的理论基础。
在我看来，与经典物理学相比，量子力学异常复杂，它对研究者的智商有较高要求，因而量子力学中的诸多问题，更像是未来人的智商所面对的问题。别忘了，在新生的量子力学面前，划时代的天才物理学家爱因斯坦，也曾数次面临困惑，并因之犯错。
在《量子纠缠》一书中，作者记述了这段往事：
“在1926年12月4日，爱因斯坦完全被量子论激怒了，于是写下了下面这段后来成为名言的话：‘量子力学固然是壮丽的。我内心深处有个声音却告诉我，它还算不上是真实的。这个理论说了很多，但是并没有真正让我们更接近上帝的秘密，我都深信上帝一定不是在掷骰子。’”（顺便说一下，读者不难发现，这段译文的汉语应用水平，很是一般。）
在我的印象中，量子力学不太像具有严密逻辑结构的物理学学科；其理论与研究思路，更像是科学家们在研究微观世界时而寻找的尝试性的“切入点”。

三、什么是“量子纠缠”
关于什么是量子纠缠，百度百科相关词条的解释是居高临下性的：“在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子缠结或量子纠缠（quantum entanglement）。”
事实上，人们直接关注的，是“量子纠缠”的如下特性：两个暂时耦合的粒子，不再耦合之后，彼此之间仍旧维持关联。需要强调，量子的纠缠，不受二量子之间的空间距离的限制。

翠湖日记(75)：量子、量子力学与量子纠缠

但在人们的常识范围内，两个已成功结合的情人或量子，只有在一起时，才能缠绵或纠缠；如果将二者分开，并且分得远远的，这种缠绵或纠缠是不可能发生的。但科学实验已多次证明，上述“常识”是错误的。
2017年6月16日，我国的量子科学实验卫星“墨子号”首先成功实现：两个量子纠缠光子被分发到相距超过1200公里的距离后，仍可继续保持其量子纠缠的状态。
有的科学家认为，即使两个量子相距数百万公里甚至无穷远，也能保持纠缠状态。当然这只是猜想，因为暂时无法用实验证明。
有的科学家则认为，当我们撩拨某个量子时，这个量子会发出某种信号，这一信号会以远远大于光速（每秒30万公里）的速度传至另一有关量子，使二量子产生纠缠现象。这同样只是猜想：在一般物理学家看来，光速已是极速，没有什么运动传输会快于光速。我们需要用实验证明，存在着比光速更快的运动传输，而量子发出的信号的传输正是这种传输。
上述猜想似乎违反了爱因斯坦相对论中对于信息传递所设定的速度极限。也许正因为此，爱因斯坦讥讽量子纠缠为“鬼魅般的超距作用”，认为量子纠缠“不可能是真实的”。众多量子力学研究者、对量子纠缠感兴趣的读者，多次自我解嘲地称量子纠缠为“鬼魅作用”、“神的杰作”、“上帝的意志”等等。
量子纠缠产生的机理到底是什么，也许上百年后才有可信的答案。但量子纠缠现象的应用前景，已初露端倪。目前，人们可望将量子纠缠现象应用到密钥分发、密集编码、隐形传输等领域，此外有关研究成果也有望应用于量子算法及量子计算机的研发之中。
《量子纠缠》一书的作者，引用科学家艾伦·阿斯派克特的判断，作为全书的结束语：量子纠缠“这种曾经纯粹的科学追求很有可能将引发一次新的技术革命。”

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