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量子糾纏速度達到光速10000倍,有沒有違反相對論?

 宇宙時空探索 2025-05-31 發(fā)布于遼寧

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

量子力學(xué)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(zhuǎn)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(zhì),而只能從整體的角度去刻畫它們。這一神奇的現(xiàn)象,便是所謂的量子糾纏,也被稱為量子纏結(jié)。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(xiàn)在兩個糾纏粒子的自旋方向呈現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)象與我們通常所理解的光速有著本質(zhì)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(xiàn)的僅僅是一種 “猜謎” 般的結(jié)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(jié)果就立刻呈現(xiàn),可實際上并沒有任何物質(zhì)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(shù)關(guān)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(yīng)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(shè)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?qū)α孔蛹m纏現(xiàn)象誤解而產(chǎn)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(zhì)上有著天壤之別。在微觀世界中,量子力學(xué)的不確定性原理,也就是測不準原理,起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)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(chǎn)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(zhì)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(xué)中對微觀世界粒子特殊性質(zhì)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(jié)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(xiàn)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(diào)的是,這一過程與量子糾纏的 “速度” 毫無關(guān)聯(lián)。

而且,退一步講,即便假設(shè)兩個糾纏的量子能夠?qū)崿F(xiàn)某種信息傳遞效果,那么在現(xiàn)實中,我們又該如何將糾纏著的某個粒子送到數(shù)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(jīng) 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(xiàn)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(xué)界數(shù)百年積累的大量實驗數(shù)據(jù)以及深厚理論基礎(chǔ)之上的偉大理論。通過質(zhì)速關(guān)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(zhì)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(xiàn)代物理學(xué)中一個最為關(guān)鍵的常數(shù),宛如支撐起整個物理學(xué)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(zhì)的靜止質(zhì)量不為零。只要物體具有靜止質(zhì)量,無論其質(zhì)量多么微小,如一個質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(xiàn)有物理規(guī)律構(gòu)建的世界都將陷入崩潰。

質(zhì)速關(guān)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(zhì)量,m0 代表靜質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(xiàn)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(xiàn)象都不屬于物質(zhì)運動速度的范疇。它們僅僅是在特定條件下呈現(xiàn)出的一種表面上超越光速的現(xiàn)象,本質(zhì)上與物質(zhì)在空間中實實在在的運動速度毫無關(guān)系。量子糾纏作為微觀世界的獨特現(xiàn)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(zhì),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(guān)科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

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