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用尽量通俗的语言介绍量子纠缠

请用简单通俗的语言来描述

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2018-03-26

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    我尽量做到通俗,但是由於问题比较复杂,也由於我的水平实在有限,难免有不尽人意之处,请大家理解。 我也想尽量做到准确介绍有关物理概念,同样是由於水平所限,必然有不准确的地方,看到问题请大家提出。
   即使是初中同学,也会听说过一些量子现象。例如测不准关系,薛定谔猫等,在日常生活中这类现象匪夷所思,却是千真万确存在於微观领域。  我不奢望大家阅读这个帖子后就能懂得量子力学,就能知道量子纠缠,我只希望能让大家多了解一些量子力学知识。
   量子力学与相对论一起合称为近代物理。近代物理经历了100多年的艰难,发展至今,可以说达到了人类智力征程上的最高成就。身为现代人,如果不了解一点点近代物理,就如同没有上过互联网,没有发过email一样,算得上是人生一大遗憾。
     近代物理很多内容与我们一些想法常有冲突,面对这类冲突不同的人可以采取不同的态度,一种态度是坚信自己的想法正确,客观事实必须服从自己的想法,另一种态度是认为自己的想法可能有误,修改自己的想法使之符合客观实际。
  每个人都可以做出自己的选择,别人不便强求。本帖介绍的内容,仅仅是我了解到的“客观事实”,我把它发出来供大家参考。   薛定谔(E。Schr dinger ,1887—1961)是奥地利著名物理学家、量子力学的创始人之一,曾获1933年诺贝尔物理学奖,量子力学中描述原子、电子等微观粒子运动的薛定谔方程,就是以他的名字命名的。
   “薛定谔的猫”也称“薛定谔佯谬”,是指薛定谔为说明量子力学中的“叠加态”设计的一个思想实验而导致的佯谬。   下面先说说什麼叫“叠加态” 从日常经验我们知道,一个人或一个物体在某一确定的时刻,总会处在某个确定的状态。
  例如我说:图腾吧主现在在家,或者说图腾吧主现在不在家。要么在,要么不在,两种状态必居其一,没有例外。然而在微观世界中,事情却有所不同。微观粒子可以处於一种所谓“叠加态”的状态中。  例如,电子可以同时位於不同的地点A或B,也就是说,电子既在A,又不在A,电子的状态是“在”和“不在”,两种状态按一定机率的叠加,电子的这种混合状态叫叠加态。
   把一只猫放进一个封闭的盒子里,然后把这个盒子连接到一个装置,其中包含一个原子核和毒气设施。设想这个原子核有50%的可能性发生衰变。  衰变时发射出一个粒子,这个粒子将会触发毒气设施,从而杀死这只猫。
  根据量子力学的原理,未进行观察时,这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态,因此,那只可怜的猫就应该相应地处于‘死’和‘活’ 的叠加态。非死非活,又死又活,状态不确定,直到有人打开盒子观测它。 实验中的猫,可类比于微观世界的电子(或原子)。
    在量子理论中,电子可以不处于一个固定的状态(0或1),而是同时处于两种状态的叠加(0和1)。如果把叠加态的概念用于猫的话,那就是说,处于叠加态的猫是半死不活、又死又活。
   量子理论认为:如果没有揭开盖子进行观察,薛定谔的猫的状态是‘死’与‘活’的叠加。此猫将永远处于同时是死又是活的叠加态。  这与我们的日常经验严重相违。一只猫,要麽死,要麽活,怎麽可能不死不活,半死半活呢?别小看这一个听起来似乎荒谬的物理理想实验。
  它不仅在物理学方面极具意义,在哲学方面也引申了很多的思考。在古代哲学思想中,就有这种似是而非、模棱两可的说法,你中有我,我中有你,一就是二,二就是一,合二而一,天人合一等。  有人如此来比喻‘薛定谔的猫’:男女在开始恋爱前,不知道结果是好或者不好,这时,可以将恋爱结果看成好与不好的混合叠加状态。
  如果你想知道结果,唯一的方法是去试试看,但是,只要你试过,你就已经改变了原来的结果了! 薛定谔的本意是要用‘薛定谔猫’这个实验的荒谬结果,来嘲笑哥本哈根学派对量子力学,对薛定谔方程引进的‘波函数’概念的几率解释,但实际上,这个假想实验使薛定谔自己站到了自己奠基的理论的对立面上,难怪有物理学家调侃地说到薛定谔:“薛定谔不懂薛定谔方程!” 这只猫的确令人毛骨悚然,相关的争论一直持续到今天。
    连霍金也曾经愤愤地说:“当我听说薛定谔的猫的时候,我就跑去拿枪,想一枪把猫打死!” 在宏观世界中,既死又活的猫不可能存在,但许多许多实验都已经证实了微观世界中叠加态的存在。
  总之,通过薛定谔的猫,我们认识了叠加态,以及被测量时叠加态的坍缩。 叠加态的存在,是量子力学最大的奥秘,是量子现象给人以神秘感的根源,是我们了解量子力学的关键。  。
  

2018-03-26

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    具有量子纠缠现象的成员系统们,在此拿两颗以相反方向、同样速率等速运动之电子为例,即使一颗行至太阳边,一颗行至冥王星,如此遥远的距离下,它们仍保有特别的关联性(correlation);亦即当其中一颗被操作(例如量子测量)而状态发生变化,另一颗也会即刻发生相应的状态变化。
    如此现象导致了“鬼魅似的远距作用”(spooky action-at-a-distance)之猜疑,彷佛两颗电子拥有超光速的秘密通信一般,似与狭义相对论中所谓的局域性(locality)相违背。
  这也是当初阿尔伯特·爱因斯坦与同僚玻理斯·波多斯基、纳森·罗森于1935年提出以其姓氏字首为名的爱波罗悖论(EPR paradox)来质疑量子力学完备性之缘由。   量子力学是非定域的理论,这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实,因此,量子力学展现出许多反直观的效应。
  量子力学中不能表示成直积形式的态称为纠缠态。纠缠态之间的关联不能被经典地解释。所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题,并在量子计算和量子通信的研究中起着重要的作用。
     多体系的量子态的最普遍形式是纠缠态,而能表示成直积形式的非纠缠态只是一种很特殊的量子态。历史上,纠缠态的概念最早出现在1935年薛定谔关于“猫态”的论文中。纠缠态对于了解量子力学的基本概念具有重要意义,近年来已在一些前沿领域中得到应用,特别是在量子信息方面。
  例如,量子远程通信。  。

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