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【科普】光子把时间搞颠倒了--转自《大科技》

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光子把时间搞颠倒了
作者 王明阳


在我们肉眼不可见的微观量子世界里,发生着许许多多无法想像又难以理解的事情,比如说被爱因斯坦称为“鬼魅似的超距作用”,即现在所谓的“量子纠缠”现象就是一例。


什么是量子纠缠呢?举例来说。有一个粒子,它的自旋为零。现在它一分为二,变成了两个粒子。因为角动量守恒,这两个粒子中倘若一个顺时针转,另一个必定是逆时针转;接下去,把两个粒子分开,比方说一个在地球上,另一个在十亿光年之外。如果我们
通过某种操作把地球上的那个顺时针转的粒子改为逆时针转,按理说,另一个粒子至少要过十亿年才能感知地球上这个粒子的变化——因为信息的传播需要时间嘛。可事实并非如此。只要地球上的这个粒子一变化,另一个粒子立刻就能感觉到,并把自己的状态做相应的调整,使得两个粒子组成的体系始终保持角动量守恒。


量子纠缠实际上就是一种超距作用,通过这种方式,一个粒子的影响可以瞬间抵达空间任何地方,仿佛距离远近对它们没有任何影响。可是近代物理学,尤其是爱因斯坦的相对论早已经证明,超距作用是不存在的。这正是此种现象的怪异之处。
(待续)


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1楼2013-12-23 18:40
    “死去”的光子与“活着”的光子纠缠




    2007年,科学家发现量子纠缠还具有可交换性。比如说,起初有两对发生纠缠的粒子:1与2纠缠,3与4纠缠。现在让前一对里的2与后一对里的3发生纠缠,那么科学家发现,结果是粒子1、4也将发生纠缠。于是,最后发生纠缠的粒子对变成了1与4、2与3,就像国
    外时髦的换妻游戏一样,伴侣相互交换了一下。这个发现将是我们理解下面介绍的两个奇怪现象的基础。


    不管怎么说,上面说的纠缠都是在这些粒子存在的条件下发生的:就算“牛郎”、“织女”隔着
    “银河”还有着不可思议的“心灵感应”,但前提是它们自己必须还“活着”。可是,2012年4月份的一个实验却带给我们一条震惊的消息:在光子的“换妻游戏”中,“死去”的光子与“活着”的光子也同样会发生纠缠。


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    2楼2013-12-23 18:41
      在实验中,物理学家先产生一对纠缠的光子1和2,对光子1进行测量,测量完就把其消灭掉,留下光子2;过了100纳秒,又产生另一对纠缠的光子3和4;现在让光子3与之前留下的光子2发生纠缠;本来,按“换妻游戏”的规则,第二对中的光子4要与第一对中的光子1发生纠缠,但问题是,光子1已经不存在了。那么你猜光子4会怎么办?实验结果显示,尽管光子1已经不存在,但光子4照样还是要跟其“鬼魂”发生纠缠。


      科学家是怎么证明这一点的呢?因为他们发现,光子4最后的状态完全由物理学家最初对光子1的测量结果所决定,而这个测量结果,对于已逝的光子1来说,早已是“前尘往事”了。


      当然了,你或许会问,既然纠缠是相互的,那么对光子4操作会对“已逝”的光子1造成什么影响呢?很遗憾,因为光子1毕竟已不存在,我们无从得知光子4会对它有何影响,但“已逝”的光子1对光子4的影响,是实验中实实在在观察到的。这简直可以用“老虎虽死,余威犹在”这个谚语来形容。
      (待续)


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      3楼2013-12-23 18:42
        之后的影响之前的


        倘若你是一个见怪不怪的老手,对上述实验或许又会有另一番挑剔:在时间上,之前发生的事情总是要影响之后发生的事情嘛……那好,我们接下去看一个之后发生的事情影响之前发生的事情的例子。这也是通过量子纠缠实现的。


        “中午吃得太饱,下午肚子撑得慌”这是我们日常的经验,谁要倒过来说“晚餐吃得太饱,下午肚子撑得慌(当然,晚餐和下午都是指同一天的)”,我们就要用怀疑的目光打量他,看看他神经有没有毛病。因为在因果关系中,都是之前的事情影响之后的,没有倒过来的。但下面这个实验又要让你的大脑里起风暴了,假如你头上戴着一顶博士帽,恐怕也要被刮跑了。


        现在甲手里有两个发生量子纠缠的光子1和2,乙手里有纠缠的光子3和4,在不破坏纠缠的条件下,甲把光子2,乙把光子3,都交给丙。这样,现在的情况是:甲手上有光子1,乙有光子4,各自与丙手上的光子2、3纠缠。对于丙来说,他对手上的光子2和3有两种考虑:一种是让它们彼此发生纠缠,那么甲手上的光子1与乙的光子4也要发生纠缠;另一种就是他让手上的光子2和3彼此保持独立,这样,甲手上的光子1与乙的光子4也始终不相干。


        丙在犹豫着,不知道选择哪一种办法……在犹豫期间,甲、乙可忍耐不住了,他们自己动手测量起手上的光子来,测量完成后,对结果秘而不宣。


        现在,经过一阵犹豫,丙终于做出了决定。他决定让手头的光子2和3发生量子纠缠,这样一来,甲手上的1和乙手上的4势必也要发生纠缠了;但这个纠缠应该发生在丙做出决定之后,或者也可以说,发生在甲、乙做测量之后,因此,不应该影响此前甲、乙的测
        量结果。但当甲、乙互相通报测量结果时,他们大惊失色,因为他们公布的测量结果跟假如先纠缠后测量应该得到的结果完全一致。


        同样,倘若丙决定让手头的两个光子保持独立,那么事先甲、乙测量的结果也是1和4彼此独立,毫不相干。


        总之,甲、乙的测量结果是独立还是存在关联,完全由在测量之后丙所做的选择决定。这岂不就是“晚餐吃得太饱,下午肚子撑得慌”说法的量子版?量子纠缠在这里完全把时间搞颠倒了。


        这些古怪的微观粒子,不是神经错乱,就是不按常规出牌……我们这些讲究逻辑的人,
        面对的宏观世界,偏偏又是由它们组成的。此种困惑,折磨着每一个对宇宙感兴趣的人。


        (完)


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        4楼2013-12-23 18:47