Quantum Entanglement
量子纠缠
不仅可以为你的分身之间建立联系,而且还能造成你的“无生境界” ——佛学中的阿赖耶识。
01
测量原子和量子纠缠
微观粒子可以同时处于两个以上的不同状态,即没有确定的状态,它们在被观察的瞬间才出现确定状态。
在进行观察前,物体可以同时以各种可能的状态存在。
发现点粒子的概率由一个服从薛定谔波动方程的波确定,波函数给出在特定状态下发现物体的精确概率;要确定物体处在什么状态,必须进行观察,它使波函数“消失”,物体进入确定状态。
这是量子力学的测量原理。
当你测量处于纠缠中的两个粒子中的一个时,你会立即知道另一个粒子的状态,即使它们相距数亿光年。两个粒子之间的这种奇怪的瞬间联系,不受光速的限制。爱因斯坦称之为“远距离的幽灵行动“。
这种奇特的现象就是量子纠缠。
1935年,爱因斯坦(Albert Einstein)、波多尔斯基(Boris Podolsky)和罗森(Nathan Rosen)在论文中描述了一个量子纠缠的思想实验:
“考虑π介子衰变,产生具有相反的自旋并相互远离的一个电子和一个正电子。按照量子力学,它们之中每个粒子的自旋在被测量之前都是既向上又向下的。 ”
如果测得电子的自旋是向上的,那么正电子的自旋瞬间坍缩成向下,即使两个粒子之间相距数十亿英里也如此。
量子纠缠不需要传递信息。否则,在测得电子自旋向上之后,若要把这个信息传给正电子才能使它选择自旋向下,就需要在两个粒子之间有着某种比光速更快的方式相互通信。
这与狭义相对论禁止超光速通信冲突。
量子纠缠已经被实验证明是真实存在的。物体可以在很远的距离上相互关联,这是量子力学测量原理和叠加原理联合所导致的,之前的物理学无法解释。这种远距离测量的相互关联,并不需要以超过光速的速度在粒子之间传递信息。
2022年的诺贝尔物理学奖,授予法国科学家Alain Aspect、美国科学家John F.Clauser和奥地利科学家Anton Zeilinger,表彰他们共同成功进行的纠缠光子实验。
02
叠加原理与量子纠缠
量子力学的叠加原理说:如果一个体系有两个可能的状态,那么它们的任何线性叠加也是这个体系的可能状态。
对于只有一个粒子的体系,叠加原理容易理解。对于包含多个粒子的体系,叠加原理会产生纠缠现象(参考袁岚峰著《量子信息简话》,中国科技大学出版社,2021)。
举例来说,如果一朵玫瑰有红色和白色两个基本状态,那么两朵玫瑰就有2x2=4个基本状态:
A、B都红(红红);
A、B都白(白白);
A红B白(红白);
A白B红(白红)。
并且这四个状态的任何线性叠加也是这个体系可以取到的状态。
考虑“红红”和“白白”这两个状态的权重相等的叠加态,用狄拉克符号表示,就是l红红)+l白白)/ √2。依照量子力学的测量原理对这个态进行测量,结果就会是:
对于玫瑰A,有一半的几率发现它是红色,一半的概率发现它是白色;对于玫瑰B,结果也同样。
而且惊人的是:如果发现A是红玫瑰,那么B也是红玫瑰;如果发现A是白玫瑰,那么B也是白玫瑰。
由此可见,虽然各个粒子的测量结果各自都是随机的,但是这些随机数之间存在关联,出现了纠缠现象。
由此可见,量子纠缠并不神秘,只要有量子力学的测量原理和叠加原理,就一定会出现纠缠现象。
03
角运动的量子纠缠
一般地说,在量子力学里,如果一个体系是由几个彼此相互作用的粒子组成,这个体系用一个统一的波函数描述,其整体性质用一些守恒量来描述,比如角动量守恒等。因为各个粒子所拥有的特性已综合成为体系的整体性质,所以单个粒子不再有确定的角动量。
如果有一个由两个粒子组成的量子系统。这个系统有一些不变的整体性质,例如角动量守恒。那么在这个系统中,这两个粒子的角动量,在被观测之前,都没有确定的状态。
在被观测的瞬间,无论两个粒子间隔多么遥远,当一个粒子的状态发生变化时,另一个粒子也将瞬间随之变化,以便保持系统的整体性质不变。这种关联是瞬时的,超越时间空间的限制。这种现象就是量子纠缠。
如果一个粒子的角动量有两种取值:+1和-1,那么由双粒子构成的系统,它的整体角动量为零时,当你测得其中一个粒子的角动量是+1,另一个粒子的角动量一定是-1。
这好比单只手套既可以是左手的,又可以是右手的,它们配对之后,所拥有的整体特性已综合成一副手套的,所以,你只要发现其中一只是左手的,另一只不用观察马上知道是右手的。
04
量子纠缠与人生
如果我们有两颗处于量子纠缠状态的粒子,它们一颗绿色,一颗红色,且某一颗变色后另外一颗就会同时瞬间变色。
把这两颗粒子中的一颗(A2)送去火星,另外一颗(A1)放在你的大脑中。火星上的粒子(A2)发生状态改变,比如从红色变绿色时,你大脑中的粒子(A1)就会瞬间感应到这种变化,从绿色变成红色。火星上的粒子(A2)变回红色时,大脑中的粒子(A1)又瞬间变成绿色。反之亦然。
在宇宙的演化过程中(例如大爆炸),产生的粒子可能都有类似的纠缠粒子经历,这些纠缠粒子分散到整个宇宙,甚至平行宇宙。因而可能出现:
你的身体由A1型粒子组成,而在现实宇宙中的某个遥远的地方,甚至在另一个平行宇宙,你的分身是由A2型粒子组成,那么你与这个分身之间就存在这种纠缠。
你们的一切,一言一行,都相互关联。只不过你自己通常没有意识到而已。
甚至在你死后,“灰飞烟灭”,虽然这些灰烬(曾经在你身上的A1粒子)已四散分离,然而它们与宇宙中的A2粒子的量子纠缠仍然存在。
这时,人生所处的就是“无生境界”。此时没有眼、耳、鼻、舌、身的五官感觉,没有大脑也没有意识和记忆。
佛学早就提出,人的意识和行为受阿赖耶识支配,阿赖耶识遍布字宙。其实阿赖耶识就可以看作是这种无生境界。
佛学认为,每个人死后,他的业力种子保存在阿赖耶识这个仓库中,永远不会失掉和变质,它们通到缘就起观行,就是果报。
本文选自朱清时微博
朱清时:中国科学院院士,中国科学技术大学前校长,南方科技大学前校长。
我于十方佛,合掌诚祈请:
为众除苦暗,请燃正法炬!
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文殊师利勇猛智 普贤慧行亦复然
我今回向诸善根 随彼一切常修学
三世诸佛所称叹 如是最胜诸大愿
我今回向诸善根 为得普贤殊胜行
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