5 从科学的发展轨迹 看科学家的伟大贡献 学习量子力学读书笔记 心得 体会 （之五）
读书人 陶臻
薛定谔的猫量子叠加是微观粒子的最重要特征之一
微观粒子还有一个十分普遍的特性—态叠加原理，也就是常说的量子叠加。例如，电子的上旋下旋同时同居一身的匪夷所思的现象。也是人们，包括一些物理学家在内的十分困惑的地方，也是薛定谔的困惑。用宏观的薛定额猫打个比喻，可能比较好理解。
把一只猫、一个装有氰化氢气体的玻璃烧瓶和镭225物质放进封闭的盒子里。当盒子内的监控器侦测到衰变粒子时，就会打破烧瓶，杀死这只猫。根据量子力学的哥本哈根诠释（量子力学的一种诠释，源于丹麦歌本哈根大学的尼尔斯.波耳研究所），在实验进行一段时间后，猫会处于又活又死的叠加态。可是，假若实验者观察盒子内部，他会观察到一只活猫或一只死猫，而不是同时处于活状态与死状态的猫。这事实引起一个谜题：到底量子叠加是在什么时候终止，并且塌缩（后续讨论）成两种可能状态中的一种状态？
根据退相干理论(后续讨论)，猫不可能永远处于生存与死亡的叠加态，由于环境影响，会很快产生退相干效应，猫改而处于生存或死亡的经典统计学状态，因此一般而言，绝对无法观察到生存与死亡的叠加态。薛定谔猫虽然是思想实验，但类似原理已应用于实际领域。在理论上研讨量子力学诠释问题时，薛定谔猫也时常会被提出，以作为从宏观上诠释叠加现象的例证。
对于宏观的既死又活的猫，不太好理解，如果把微观粒子想象成波，就容易理解量子叠加了。这条波弥漫整个宇宙空间，但并不是均匀分布的，波上有波包，波包在哪，我们就说粒子在哪。问题是理论上，这个波包可以出现在这条波的任意位置上，而波又弥漫整个空间。所以粒子可以出现在空间上的任何一个位置。测量之所以会导至量子叠加态消失，是因为测量仪器肯定需要发射某些粒子去探测被测量的粒子（波），被测量的例子原先的叠加态就会因为这些粒子的干扰而消失。这个坍塌的结果，就是测量坍塌效应。只要我们不去测量这个波包（粒子），那么波包（粒子）本身就和这条波是一个整体。因此，这个波包（粒子）在空间的位置上就和波叠加在一起了。所以粒子既在这，又同时在那，可以同时处在多个位置，这就是叠加的体现。从这个角度就比较容易理解量子纠缠了。
微观世界，与我们生活的宏观世界大相径庭，令人难以理解，甚至匪夷所思，尤其是量子的叠加和纠缠。希望我们接触到这些新概念时，不至于打退堂鼓，而是享受微观世界的深刻与有趣，从而引发更多的思考和想象。量子纠缠涉及到量子学的基础知识。
神奇的波和粒子
玻粒二象性和叠加这两个词是了解量子力学的人都知道的概念。玻粒二象性说的是比原子还小的粒子同时具有的两种状态，不仅是粒子也像波，粒子的波动性和粒子的叠加性在一起，即叠加态。但是，叠加态不光是指波粒二象性，还有自旋、偏振、位置、动量等等其它物理性质的叠加态。如果不去触动，不去测量这个粒子，这个粒子就会处于各种叠加态之中。认识这一点特别重要，仅仅一个粒子的状态，是多种物理量的叠加，是加法，不是替代，也不是融和。
粒子（光子）有体积吗
这里有一个问题值得思考。粒子有体积吗？叠加后其体积会增加吗？
这里罗列一些有关这方面的解释，以帮助我们理解，可能需要从动态的角度去理解。
一般而言，科学上会把上述的复合粒子视为物质，因为他们具有静止质量及体积。不过不是所有具有静止质量的粒子都有经典定义下的体积，像夸克及轻子等粒子一般会视为质点不具有大小及体积。光是特殊的物质，它具有波动性和粒子性，但它的粒子是光子，不具有静质量，只有科学研究是才考虑，所以感受不到它，但是光照射在物体上时会产生压力，叫光压。光的本质是一种能引起视觉的电磁波，同时也是一种粒子（光子）。
首先，光没有质量，确切地说是没有「静」质量。光是有动质量的。实际上光是一直在跑的。其次问光是不是物质，首先要定义什么是物质。如果物质就是一切「存在」，那光当然是物质。因为光总是某个东西。如果较真的话，物理学里面的「物质」稍微狭义一点。
量子之间是彼此独立的吗
我们都知道每个单独的粒子都具有叠加态。如果通过某种方式结合在一起的两个粒子的叠加态，是彼此独立的，还是相互纠缠的？答案是相互纠缠的。如果一个单独的粒子衰变成两个更小的粒子，那么这两个粒子的叠加态是彼此独立的，还是相互缠绕的？答案是依旧是相互纠缠的。两个粒子一开始就具有某种共同关系，那么即便两个粒子分开，其叠加态也是缠绕在一起的。而量子纠缠正是这种叠加态相互缠绕的体现。
纠缠是同时发生的
比如一个0自旋的粒子突然衰变成两个粒子，那么两个粒子由于都是由同一个粒子衰变而来的，所以在初始状态就已经建立起联系了。未来，不管这两个粒子相聚有多远，这种联系会一直存在，具体表现就是叠加态的相互缠绕。此时，两个粒子就是彼此的纠缠粒子，纠缠粒子之间的叠加会超越空间和时间进行相互作用。
这个作用的发生，必须是对其中一个纠缠粒子有所行动，如进行测量时，如果所测量粒子的自旋向上，就会同时决定另一个纠缠粒子的结果是向下。在没测量之前，这两个纠缠粒子的自旋处于叠加态，每个粒子既是上旋同时也是下旋。测量行为就会确定这两个粒子的自旋是向上，还是向下。这种测量行为导致叠加态消失，就是测量坍塌效应。大家都说量子纠缠是超高速的，但也不太严谨。在理论上，量子纠缠就不存在速度的概念，因为纠缠粒子之间的相互作用是同时发生的。如果说存在速度的话，可理解为纠缠粒子相互作用时的时间差。因此在描述量子纠缠的时候，最好不用“瞬间”、“立马”等，而用“同时”。
纠缠发生的前提是粒子间有着某种密切关联
而量子纠缠是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象，也就是要存喜爱纠缠至少要在两个或两以上的量子态进行叠加。叠加的前提是粒子间有着某种相对应的密切关联，而且粒子在空间上可以相距很遥远的距离，一个粒子的行为将会影响另一个的状态，当其中一个被操控或者被观测而状态发生变化，另一个也会即刻发生相应的状态变化。例如，一个粒子是负，另一个就是正；一个向上，另一个就向下；一个是左，另一个就是右，如此而已。爱因斯坦将量子纠缠称为“鬼魅似的远距离做用”
粒子纠缠不论相距多远几乎同时发生
纠缠发生时，几乎是同时发生的，不管相距十万八千里。假如把两个纠缠粒子相距30万公里，时间精度是0.1秒，结果确定了量子纠缠同时发生。如果在把精度提高到0.01秒，即使实验依旧，纠缠还是同时发生。这说明量子纠缠的速度太快了，起码不低于光速的100倍。
从玻粒二象性来看，两个纠缠的粒子其实是同一条波（复活系统），只不过是测量行为导致这条波坍塌成两个波包（粒子）。这两个波包（波粒子）可以无视空间而同时作用，这个同时作用就是量子纠缠的超光速现象。其实是发生纠缠作用的粒子，本来就是同一个粒子，对一个粒子的测量，就是对另一个粒子的同时测量，所以量子纠缠必然会同时发生。但是，这种纠缠并没有实质上的物理运动。纠缠是粒子的神秘特性，不需要粒子有位移运动。因此就不能传递信息和能量了。
中国科技大学潘建华团队曾在《限制’远处幽灵行动‘的速度》的论文中，提到，爱因斯坦等人将量子中的非局域关联称为“远处的幽灵行动”。如果神奇的幽灵在行动，那么粒子纠缠的速度是多少呢？潘建伟带领其团队曾在青海做过量子纠缠的速度下限测试，通过连续12个小时的贝尔不等式的实验，观察到了贝尔不等式的违背，实验表明，量子纠缠的速度的下限是光速的四个数量级，至少是光速的上万倍。所谓贝尔不等式（Bell’s inequality）是理论物理中一个有关是否存在完备局域隐变量理论的不等式。实验表明，违背贝尔不等式，说明不存在关于局域隐变量的物理论可以复制量子力学的每一个预测。爱因斯坦认为，量子力学并未完整地描述物理系统的状态，质疑量子力学的不完备性，因此推测量子力学背后应该因藏了一个尚未法相的变量，这个变量就是隐变量。贝尔不等式的实验否定了隐变量的存在。
如果实验能使测量精度不断提高，其测得的速度可能是光速的一亿倍之多。但是这种测量并没有太大的意义。我们知道量子纠缠是超光速的就可以了。
量子纠缠超光速的实现途径
两个物体要进行相互作用，必然需要借助一种中介物质（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能够充当纠缠粒子之间的介质的。于是就有另一种逻辑判断的解释。这里有两个经典案例。一个是寡妇模型；一个是手套模型。例如，A和B是一对情侣，结婚后就有了夫妻之实。这种关系就相当两个纠缠粒子，就有共同的叠加态。突然有一天，作为丈夫的A,因为车祸挂了，这是事实，不管B愿不愿意。A挂了的同时，也就是她变成寡妇的同时，这就相当于对一个纠缠粒子的测量，会同时影响另一个纠缠粒子。手套模型，将一双手套随机放入两个盒子里，只有在打开其中一个盒子的同时，也就会同时知道另一个盒子里装的是什么手套。这两个案例，是典型的逻辑判断，也会比较理解量子纠缠。可是事实并不是这样的！常识告诉我们，盒子里打开后，如果是左手套，再放回去，再打开，仍然是左手套，不会再改变了。而在微观世界里，如果打开盒子是左手套，放进去，关上盒子，再打开，就有可能变成右手套了。这可真是魔术师的伎俩。量子纠缠就是这样，多次测量量子纠缠，其结果并不相同。
纠缠粒子之间违背局域实在论
为了解释上面提出的问题，我们继续讨论介质问题。爱因斯坦认为两个粒子之间相互作用，必须依靠介质，而任何介质的速度都无法超光速。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。这就是著名的局域实在论。爱因斯坦以及两位年轻同事波多尔斯基（Boris Podolsky）和罗森（Nathan Rosen）发现量子纠缠与局域实在论的冲突，认为量子力学不完备。意思是，除了量子力学中的量子态之外，物理系统还存在额外的变量，可以刻画系统的准确状态。这些额外的变量叫作隐变量，它们代表了所谓的实在论。如果一个代替量子力学的理论包含隐变量，它就叫作隐变量理论。如果这个理论还满足局域性，就叫局域隐变量理论，或者局域实在论。因此，在爱因斯坦看来，纠缠粒子之间至所以可以违背局域实在论是因为纠缠粒子之间存在一种人类还没有发现作用机制，这种未知的作用机制叫做隐形变量。所以量子力学并不完备和成熟，还有许多需要完善的地方。这样问题都集中在是否存在隐性变量的问题。甚至在上世纪三、四十年代，大部分物理学家都接受、支持隐形变量学说。因为当时的保守派看来，歌本哈根学派用概率来描述粒子也就罢了，毕竟找不到更好的理论描述粒子行为。