本文參加小編 #科學(xué)了不起# 系列征文賽。

隨著我國經(jīng)濟(jì)文化的飛速發(fā)展，我們的科學(xué)成果越來越多地涌現(xiàn)出來，好多曾經(jīng)象牙塔中的專業(yè)名詞流入了尋常百姓的日常聊天當(dāng)中。墨子號實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的上天，讓量子糾纏一詞迅速傳播到大街小巷，然而對于這樣一個(gè)專業(yè)的詞匯，很多人并不明了其中的物理含義，老郭想利用此篇文章，給大家科普一下，什么是量子糾纏？

一、宏觀世界與微觀世界

所謂的宏觀世界就是我們看得見、摸得著的世界，這個(gè)世界是一個(gè)在物理學(xué)上中等尺度、中等速度、中等溫度……總之，物理量的值是在一個(gè)恰當(dāng)?shù)闹虚g范圍的世界。而微觀世界是指我們看不到的分子、原子、電子等等微小粒子層面的世界。

隨著物理學(xué)的發(fā)展，當(dāng)科學(xué)家們深入到了微觀世界之后，發(fā)現(xiàn)這個(gè)世界的規(guī)則與我們宏觀世界的規(guī)則不一樣。在微觀世界中，一切瞬息萬變，微觀粒子的狀態(tài)只有一個(gè)可能的、概率的結(jié)果。

所以，對于宏觀世界和微觀世界就總結(jié)出了兩種不同的方法：確定性方法與概率統(tǒng)計(jì)方法。實(shí)踐證明這兩種方法都是有效的，只是它們適用的領(lǐng)域不同。只不過，隨著薛定諤方程將概率引入了量子力學(xué)之后，經(jīng)典物理學(xué)建立起來的決定論大廈轟然崩塌。

二、什么是波函數(shù)？

在經(jīng)典物理學(xué)中，質(zhì)點(diǎn)的狀態(tài)可以用運(yùn)動方程來描述，在任意時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的位置和動量都是確定的。由于微觀粒子具有波粒二象性的特點(diǎn)，因此經(jīng)典物理的方程不能用于描述微觀粒子的運(yùn)動。量子力學(xué)中，為了定量描述微觀粒子的狀態(tài)，引入了波函數(shù)。

所謂的波函數(shù)，用Ψ（音：普西）表示，是一個(gè)坐標(biāo)和時(shí)間的復(fù)函數(shù)，其絕對值（模）的平方對應(yīng)于微觀粒子在空間某處出現(xiàn)的概率密度。波函數(shù)即不是粒子形狀的描述也不是粒子軌道的描述，這是很多科普作者常常弄錯(cuò)的地方。波函數(shù)的出現(xiàn)代表著量子力學(xué)徹底擺脫了經(jīng)典物理的束縛，成為了一門獨(dú)立的學(xué)科。

三、疊加態(tài)原理

如果Ψ1和Ψ2是體系的可能狀態(tài)，那么它們的線性疊加Ψ=C1Ψ1+C2Ψ2（C1、C2是復(fù)數(shù)）也是體系的一個(gè)可能狀態(tài)，并且這種疊加可以推廣到很多態(tài)。當(dāng)粒子處于態(tài)Ψ1和Ψ2的線性疊加態(tài)Ψ時(shí)，粒子是即處在態(tài)Ψ1，又處在態(tài)Ψ2。

如果我們不關(guān)心這段話的量子力學(xué)背景，這種情況在經(jīng)典世界中是經(jīng)常發(fā)生的，比如兩個(gè)水波的疊加，水波中某個(gè)點(diǎn)處的水其實(shí)是同時(shí)處于兩種狀態(tài)的疊加之中。

態(tài)的疊加當(dāng)然不僅限于兩個(gè)波之間，也可以是無限制多個(gè)波的疊加。在量子力學(xué)中，疊加態(tài)意味著，一個(gè)微觀粒子可以同時(shí)處于多種狀態(tài)。這意味著，它可以既在這里，又在那里，同時(shí)處在波函數(shù)允許的所有位置上，直到我們進(jìn)行具體測量的時(shí)候，疊加態(tài)突然結(jié)束，即波函數(shù)塌縮到一個(gè)特定的值，粒子就出現(xiàn)在對應(yīng)的位置上。

四、量子糾纏

在微觀世界里，如果我們把一個(gè)微觀系統(tǒng)（可以是一個(gè)原子，或者是一束激光等等）用某種辦法把它們“切割”開分成兩個(gè)更小的粒子，則這兩個(gè)小粒子之間就會具有“心靈感應(yīng)”的特點(diǎn)。即使它們之間相距再遙遠(yuǎn)都會彼此感應(yīng)到對方的狀態(tài)，并且是瞬間完成。

以光子的糾纏為例，一束紫外激光被發(fā)射到一種特殊的晶體。接著，該晶體會釋放一對偏振方向相反的糾纏光子。如果我們發(fā)現(xiàn)處于甲地的光子偏振方向水平，則我們就知道另外一個(gè)光子的偏振方向是垂直的。在沒有測量它們之前，兩個(gè)光子處于疊加態(tài)，每種狀態(tài)都有可能發(fā)生，無法確定哪種狀態(tài)會發(fā)生。

五、量子糾纏沒有違背相對論

量子糾纏現(xiàn)象是一種超距作用。墨子號已經(jīng)向我們證明，即使是在500公里之外，兩個(gè)光子之間的量子糾纏仍然存在。愛因斯坦不理解量子糾纏，但是越來越多的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，量子糾纏是微觀世界最普遍的一種現(xiàn)象。

物理學(xué)家們的實(shí)驗(yàn)表明，量子糾纏的感應(yīng)速度的下限是光速的1萬倍。但這并不違背相對論中的光速極限原理，這是因?yàn)椋鄬φ撝械墓馑贅O限指的是一個(gè)有質(zhì)量的物體不能通過加速的方式達(dá)到光速。而量子糾纏則完全不同，這種速度是感應(yīng)速度，粒子的運(yùn)動并沒有超過光速，不需要把粒子加速到光速以上。

目前，物理學(xué)家們并不清楚量子糾纏背后的機(jī)制到底是什么，他們只知道量子糾纏是一種微觀粒子中客觀存在的現(xiàn)象。

結(jié)束語

量子糾纏只是量子力學(xué)為我們揭示的眾多微觀物理現(xiàn)象中的一個(gè)，但僅僅是這一個(gè)現(xiàn)象，就已經(jīng)為我們打開了一扇通往未來的大門，比如量子隱形傳態(tài)、量子計(jì)算等等。我們在期待著科學(xué)家造出更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)的同時(shí)，更期待著能揭開更多的微觀世界的奧秘。今天的量子力學(xué)，不是物理學(xué)的終結(jié)，而是人類認(rèn)識宇宙，認(rèn)識自身的一個(gè)全新起點(diǎn)。