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补充序章(十五)EPR思维实验

  今天让我缓缓……就发下资料吧!41Zcr

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  我是认真的!你们真的想的话,看了之后不要哭呐,好奇心害死猫啊!41Zcr

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  我的比喻真的是超脱清俗41Zcr

  如果把粒子比作一个大西瓜,这个大西瓜是一个原子,那么一刀从中间将它们均匀切成两瓣,其中如果一块西瓜受力之后向左边旋转,那么另一块必定向右旋转,41Zcr

  正是因为西瓜和刀组成一个系统,用刀切相当于对它们进行干涉,但西瓜还是一个密不可分的整体,如果用一块挡板测出西瓜的速度,那作为一个整体的另一半西瓜的速度也会随着改变,所以它们还是处于一种不确定的叠加态!41Zcr

  它们之间信息传递的速度将远远快与光速,这将正是狭义相对论所不能解释的地方!41Zcr

  下面是关于历史上EPR实验的解释和一些量子理论41Zcr

  1935年,爱因斯坦、波多尔斯基、罗森发表了题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完全的吗》的论文。文中考虑量子力学的二粒子纠缠态Ψ=δ(x1-x2-L)δ(p1+p2)。41Zcr

  测得粒子1的坐标为x10,立即可确定粒子2的坐标为L-x10。测得粒子1的动量为p10,立即可确定粒子2的动量为-p10。这表现了两个粒子的量子力学关联。41Zcr

  进行测量时两个粒子的距离L已经很大,爱因斯坦等认为对一个粒子的测量不会对第二个粒子造成干扰,并给出一个判据:如果人们毫不干扰一个体系而能确定地预言它的一个物理量的值,则对应于这个物理量就存在物理实在性的一个元素。41Zcr

  根据这个判据,粒子2的坐标和动量都是物理实在的元素,但量子力学认为粒子的坐标和动量不能同时具有确定值,因此它的描述是不完备的。41Zcr

  在论证中,爱因斯坦等人设想了一个测量粒子坐标和动量的思想实验,称为“EPR思想实验”,可以凸显出局域实在论与量子力学完备性之间的矛盾。41Zcr

  后来D.玻姆把它简化为测量自旋的实验:考虑两个自旋为 1/2的粒子A和B构成的一个体系,在一定的时刻后,使A和B完全分离,不再相互作用。41Zcr

  当我们测得 A自旋的某一分量后,根据角动量守恒,就能确定地预言 B在相应方向上的自旋值。由于测量方向选取的任意性, B自旋在各个方向上的分量应都能确定地预言。41Zcr

  所以他们认为,根据上述实在性判据,就应当断言B自旋在各个方向上的分量同时具有确定的值,都代表物理实在的要素,并且在测量之前就已存在,41Zcr

  但量子力学却不允许同时确定地预言自旋的8个分量值,所以不能认为它提供了对物理实在的完备描述。41Zcr

  如果坚持把量子力学看作是完备的,那就必须认为对A的测量可以影响到B的状态,从而导致对某种超距作用的承认。爱因斯坦等的这个批评此后被称为EPR佯谬。41Zcr

  他们假设有两个电子:电子1和电子2发生碰撞。由于它们带有相同的电荷,这种碰撞是弹性的,符合能量守恒定律,碰撞后两电子的动量和运动方向是相关的。因而,如果测出了电子1的位置,就能推知电子2的位置。41Zcr

  假设在碰撞发生后精确测量电子1的位置,然后测量其动量。由于每次只测量了一个量,测量的结果应该是准确的。41Zcr

  由于电子1、2之间的相关性,虽然我们没有测量电子2,即没有干扰过它,但仍然可以精确推测电子2的位置和动量。41Zcr

  换句话说,我们经过一次测量得知了电子的位置和动量,而量子理论说这是不可能的,关于这一点量子理论没有预见到,爱因斯坦及其同事由此证明:量子理论是不完备的。41Zcr

  同年,爱因斯坦和薛定谔就EPR悖论在书信中交换了意见。41Zcr

  薛定谔表示,爱因斯坦可能已经捉到了量子力学的燕尾。他认为,“量子力学与相对论不相符合。” 为了进一步显示量子力学的不完备性,他将量子力学应用到宏观效应中,从而构思了著名的“薛定谔猫思想实验”41Zcr

  玻尔经过一段时间的思考,反驳说EPR实验非但没有证否量子理论,而且还证明了量子理论的互补性原理。41Zcr

  他指出,测量仪器、电子1和电子2共同组成了一个系统,这是一个不可分割的整体。在测量电子1的位置的过程中会影响电子2的动量。因此对电子1的测量不能说明电子2的位置和动量,一次测量不能代替两次测量。41Zcr

  这两个结果是互补的和不兼容的,我们既不能说系统中一个部分受到另一个部分的影响,也不能试图把两个不同实验结果互相联系起来。41Zcr

  EPR实验假定了客观性和因果关系的存在而得出结论认为量子理论是不完备的,事实上这种客观性和因果性只是一种推想和臆测。41Zcr

  玻尔敏锐地意识到它正表征了经典概念的局限性,因此以此为基础提出“互补原则”(并协原理),认为在量子领域总是存在互相排斥的两种经典特征,正是它们的互补构成了量子力学的基本特征。41Zcr

  玻尔的互补原则被称为正统的哥本哈根解释,但爱因斯坦一直不同意。41Zcr

  他始终认为统计性的量子力学是不完备的,而互补原理是一种绥靖哲学,因而一再提出假说和实验责难量子论,但玻尔总能给出自洽的回答,为量子论辩护。41Zcr

  爱因斯坦与玻尔的论战持续了半个世纪,直到他们两人去世也没有完结。41Zcr

  EPR论证并没有质疑量子力学的正确性,它质疑的是量子力学的不完备性,量子力学不能预测物体的确切性质,只能预测物体的统计性质,不能存在单独量子系统,只能描述一个系综的量子系统。41Zcr

  或许在不久的未来,物理学家会想出更完备的量子理论。41Zcr

  但是,这论文是建立于貌似合理的假设——局域论与实在论(局域实在论)的基础之上。简略解释,局域论不允许“鬼魅般的超距作用”,实在论主张,月亮依旧存在,即使无人赏月。41Zcr

  在学术界里,这些假设引起强烈的争论,特别是在两位诺贝尔物理学奖得主爱因斯坦与玻尔之间。41Zcr

  关于量子理论41Zcr

  量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论提供了新的关于自然界的观察、思考和表述方法。41Zcr

  量子论揭示了微观物质世界的基本规律,为原子物理学、固体物理学、核物理学、粒子物理学以及现代信息技术奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射,粒子的无限可分和信息携带等。41Zcr

  尤其它的开放性和不确定性,启发人类更多的发现和创造。41Zcr

  大家都熟悉光是有波粒二象性的,也都知道光双缝的干涉实验是证明了光存在波的属性的,实验结果是在光线通过双缝后在后面的荧幕上产生了干涉条纹。41Zcr

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  改变一下实验条件:每一次只发射一个光粒子,结果将是如何?荧幕上是否会产生如同波干涉一样的条纹么(如果是粒子没有其他粒子影响,按经典理论该粒子应当重复之前路径)?结果是即便一次只发射一个光粒子,这个粒子依旧会产生干涉(显像位置按概率出现,无法使用经典理论解释)。41Zcr

  由此引出了量子论的关键观点:“微观世界里,上帝也在玩骰子”(不确定性原理)41Zcr

  初期41Zcr

  1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难,引入了能量子概念,为量子理论奠定了基石。41Zcr

  随后,爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾,提出了光量子假说,并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念,为量子理论的发展打开了局面。41Zcr

  1913年,玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念,提出玻尔的原子理论,对氢光谱作出了满意的解释,使量子论取得了初步胜利。随后,玻尔、索末菲和其他物理学家为发展量子理论花了很大力气,却遇到了严重困难,旧量子论陷入困境。41Zcr

  建立41Zcr

  1923年,德布罗意提出了物质波假说,将波粒二象性运用于电子之类的粒子束,把量子论发展到一个新的高度。41Zcr

  1925年-1926年薛定谔率先沿着物质波概念成功地确立了电子的波动方程,为量子理论找到了一个基本公式,并由此创建了波动力学。41Zcr

  几乎与薛定谔同时,海森伯写出了以“关于运动学和力学关系的量子论的重新解释”为题的论文,创立了解决量子波动理论的矩阵方法。41Zcr

  1925年9月,玻恩与另一位物理学家约丹合作,将海森伯的思想发展成为系统的矩阵力学理论。不久,狄拉克改进了矩阵力学的数学形式,使其成为一个概念完整、逻辑自洽的理论体系。41Zcr

  1926年薛定谔发现波动力学和矩阵力学从数学上是完全等价的,由此统称为量子力学,而薛定谔的波动方程由于比海森伯的矩阵更易理解,成为量子力学的基本方程。41Zcr

  发展41Zcr

  1928年狄拉克将相对论运用于量子力学,又经海森堡、泡利等人的发展,形成了量子电动力学,量子电动力学研究的是电磁场与带电粒子的相互作用。41Zcr

  量子论41Zcr

  1947年,实验发现了兰姆移位。41Zcr

  1948-1949年,里查德·费因曼(Richard Phillips Feynman)、施温格(J.S.Schwinger)和朝永振一郎用重正化概念发展了量子电动力学,从而获得1965年诺贝尔物理学奖。41Zcr

  不确定性41Zcr

  海森伯不确定原则是量子论中最重要的原则之一。41Zcr

  最初的不确定性原理指出,不可能同时精确地测量出粒子的动量和位置,因为在测量过程中仪器会对测量过程产生干扰,测量其动量就会改变其位置,反之亦然。41Zcr

  量子理论跨越了牛顿力学中的死角,在解释事物的宏观行为时,只有量子理论能处理原子和分子现象中的细节。41Zcr

  但是,这一新理论所产生的似是而非的矛盾说法比光的波粒二重性还要多。牛顿力学以确定性和决定性来回答问题,量子理论则用可能性和统计数据来回答。41Zcr

  传统物理学精确地告诉我们火星在哪里,而量子理论让我们就原子中电子的位置进行一场赌博。41Zcr

  海森伯不确定性使人类对微观世界的认识受到了绝对的限制,并告诉我们要想丝毫不影响结果,就无法进行测量。41Zcr

  量子力学的奠基人之一薛定谔在1935年就意识到了量子力学中不确定性的问题,并假设了一个著名的猫思维实验:“一只猫关在一钢盒内,盒中有下述极残忍的装置(必须保证此装置不受猫的直接干扰):在盖革计数器中有一小块辐射物质,它非常小,或许在1小时中只有一个原子衰变。在相同的几率下或许没有一个原子衰变。如果发生衰变,计数管便放电并通过继电器释放一个锤,击碎一个小小的氰化物瓶。如果人们使这整个系统自在1个小时,那么人们会说,如果在此期间没有原子衰变,这猫就是活的。第一次原子衰变必定会毒杀了这只猫。”41Zcr1

  常识告诉我们那只猫非死即活,两者必居其一。41Zcr

  可是按照量子力学的规则,盒内整个系统处于两种态的叠加之中,一态中有活猫,另一态中有死猫。41Zcr

  但是有谁在现实生活中见过一个又活又死的猫呢?猫应该知道自己是活还是死,然而量子理论告诉我们,这个不幸的动物处于一种悬而未决的死活状态中,直到某人窥视盒内看个究竟为止。41Zcr

  此时,它要么变得生气勃勃,要么立刻死亡。41Zcr

  如果把猫换成一个人,那么详谬变得更尖锐了,因为这样一来,监禁在盒内的那位朋友会自始至终地意识到他是健康与否。41Zcr

  如果实验员打开盒子,发现他仍然是活的,那时他可以问他的朋友,在此观察前他感觉如何,显然这位朋友会回答在所有的时间中他绝对活着。41Zcr

  可这跟量子力学是相矛盾的,因为量子理论认为在盒内的东西被观察之前那位朋友仍处在活-死叠加状态中。41Zcr

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  我以后会提到这种叠加态,就相当给你们发福利了,能看到这里的勇士,41Zcr

  蒂娜的能力就是关于量子纠缠和量子叠加的哟!41Zcr

本章结束