现代物理学概论

一、量子纠缠

1、量子力学的基础

波粒二象性：比原子还小的粒子，同时具有两种状态。这些粒子不仅像粒子，也像波。

叠加态：波粒二象性就是一种叠加态、还有自旋、偏振、位置和动量等其他物理性质的叠加态（有点像薛定谔的猫）

只要不测量这个粒子，粒子就一直处于各种叠加态中

2、量子纠缠的概念

量子纠缠：如果两个粒子通过某种方式组合在一起，这两个粒子的叠加态是相互缠绕的。

无论这两个粒子相隔多远，这种联系会一直存在，具体表现就是叠加态的互相缠绕。

纠缠粒子：叠加态相互缠绕的两个粒子被称为纠缠粒子。它们相互的作用是同时的。

纠缠粒子的叠加态缠绕会超越空间和时间进行互相作用。

这里的相互作用指的是对一个纠缠粒子进行测量，比如自旋，就会同时决定另一个纠缠粒子的自旋结果，没测量之前，这两个纠缠粒子的自旋处于叠加态。每个粒子即是上旋也同时是下旋，而测量行为就会导致两个粒子的自旋变得确定。如果一个纠缠粒子的自旋为上，那另一个必然为下。反之亦然。

测量坍塌效应：测量导致的叠加态消失

3、量子纠缠同时性的验证

量子纠缠的速度是超光速的。

这种说法并不严谨。在理论上，量子纠缠就不存在速度的概念。因为纠缠粒子的相互作用是同时发生的。如果说存在速度的话，就意味着纠缠粒子的相互作用存在时间差。

验证的基本原理：两个粒子的距离除以作用的时间。但是距离是不可能无限大的，所以只能近似验证。

目前最高精度的速度为光速的一万倍。

4、超光速的实现

在目前的物理框架中，两个物体要进行相互作用，必然需要借助一种 中介（介质）。

在标准模型中，光子、胶子等玻色子和各种场可以充当物质相互作用的介质。但是这些介质的速度上限是光速，所以对于超光速的量子纠缠来说，是没有任何玻色子和场能够充当纠缠粒子之间的介质。于是出现了另一种解释，称为逻辑判断。

逻辑判断的两个经典案例：寡妇模型、手套模型

寡妇模型：两个纠缠粒子比作一对夫妻，其中一方死亡，另一方会在同时变成寡妇。

手套模型：两个纠缠粒子比作一对手套，分别放在两个盒子里，打开一个盒子，就能同时知道另一个盒子里是左手套还是右手套。

可是逻辑判断的解释有个问题：如果量子纠缠是逻辑判断的话，一旦测量，那结果就是确定的，不会再改变。而事实上却是如果打开盒子发现是左手套，盖上盒子后，再打开，就又可能变成右手套了。即观测量子纠缠，叠加态坍缩，但是如果不观测，又恢复叠加态。量子纠缠就是这样，多次测量，其结果并不相同。

区域实在论（局域实在论）：两个物体要进行相互作用，必然需要借助一种 中介（介质）,但是任何一种介质的速度都无法超越光速。也就是说，任何遥远区域发生的事件，都不能以超光速的形式，影响另一区域的事件。

所以量子纠缠的超光速违背了区域实在论，而爱因斯坦对此的解释是纠缠粒子之间存在一种人类还没有发现的作用机制。爱因斯坦将这种未知的作用机制称为隐形的变量，也就是隐变量。并指出由于量子力学还没有发现这种变量，因此量子力学并不成熟。这就引出了量子力学是否具有完备性的争论。

1935年，爱因斯坦联合波多尔斯基和罗森共同发表了《能认为量子力学对物理的描述是完全的吗》，这一论文被称为EPR佯谬。

1964年，爱尔兰物理学家约翰贝尔提出了贝尔不等式，给出了验证EPR佯谬的可行性实验。科学家在半个世纪内做了大量的贝尔实验，实验的结果全都指向贝尔不等式不成立，隐变量不存在，爱因斯坦是错的，量子力学是完备的。

一种可能的解释：

量子纠缠这种超光速的现象不存在介质。没有传播子就证明，在量子纠缠的超光速作用中，并没有实在的物质发生了超光速运动，也就无法承载信息和能量，所以不违背相对论。

理解量子纠缠不能套用经典的物理学概念，因为量子世界一切都是模糊的，没有确定的行为。这并不是电子显微镜的分辨率不够高，而是由于量子世界的本质就是叠加态、模糊不确定的。

量子纠缠也是一种模糊的叠加状态，这种叠加状态不会因为距离的远近而变得忽强忽弱，因为在量子力学看来具有相同叠加态的纠缠粒子其实是同一粒子，具有粒子不可分离性。在理论框架中，只有粒子具有不可分离的整体，那么既然不可分离，就不会存在缝隙。所以有物理学家认为纠缠粒子只是同一个粒子在高维空间的体现。