纠缠态-物理世界第一谜 - (EPUB全文下载)

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书籍内容：

“斯科特
，
开始传送！”《星际旅行》里的场景会不会成为现实？量子力学告诉我们
：
也许……就在不远的将来。
自从网络空间
由科幻小说家杜撰的名词变成
了现实
，
"科学”与“科幻”之间的界线愈加模糊。今天
，
年轻的量子力学向我们承诺
：
人类某些最不着边际的梦想可能会真的实现。“纠缠态”正是奇异的量子力学世界里最不可思议的一道风景。
爱因斯坦认为
，
量子力学规定了纠缠态的存在
，
也就是说亚原子微粒间有可能产生某种联系
，
其中一个微粒无论发生什么变化
，
与之相联的微粒便会即刻发生相应的变化
，
哪怕它们之间相隔整整一个宇宙。他觉得
，
假如量子力学能够推出如此难以置信的奇怪的结果
.那么量子论一定不能成立。可是
，
在美国和欧洲实施的新的科学实验却证明了纠缠现象不
但真的会发生
，
而且还可以用来建立牢不可破的密码
，
甚至实现隐形传态……
来吧
，
进入属于微粒的奇异的量子力学世界。在这里
，
粒子即波
，
波即粒子。这是一个奇幻的领域
，
不确定性无处不在。但若我们细细思量它的神秘面目
，
也许
，
就在我们有生之年
，
会发现不可解密码乃至隐
形
传态的
秘密……
 
 
 
前言
“我怀疑
，
宇宙不仅比我们已料想的更奇怪
，
甚至比我们能料想的还要奇怪。”
——
霍尔丹
(
J
.
B
.
S
.
Haldane
)
19
72年秋
，
我在加州大学伯克利分校就读本科
，
主修数学和物理
，
当时有幸参加了一场校内讲座
，
主讲者是量子论的奠基人之一沃纳•海森堡
(Werner Heisenberg
)
。虽说今时今日我对于海森堡在历史上扮演的角色心存异议
——
当时别的科学家因反对纳粹政策纷纷离去
，
而他却留下来帮助希特勒制造原子弹
，
一
旦他的演讲给我的生活造成了深刻而积极的影响
，
使我对量子
理论
有了更深层次的理解
，
并且认识到这一理论在我们不断努力了解自然这一过程所占的地位。
量子力学是整个科学世界中最奇特的领域。以我们地球上的日常生活为视角的话
，
量子力学看起来纯粹是无稽之谈
，
它所论述的是主宰微观粒子领域的自然法则(也涉及某些庞大的体系
，
比如超导体
）
。“量子”一词本身指的是很小的一份能量
——
微乎其微的一份。量子力学
，
也就是所谓的“量子论”
，
探讨的是构成物质的基本单位
，
即构成宇宙万物的极小粒子。这类粒子包括原子、分子、中子、质子、电子、夸克
，
还有光子
——
构成光的基本单位。所有这些物体(我们暂且称之为物体）都比人类的肉眼所能看见的东西要小得多。在这个层面上
，
突然之间
，
我们所熟悉的一切行为规律都失去了效应。
进入
这个新奇的微观世界后
，
我们会体验到种种困惑和诡异
，
就好像爱丽丝在仙境中探险一般。在虚幻迷离的量子世界中
，
粒子就是波
，
波就是粒子。因此
，
光线既是一束起伏跳荡过空间的电磁波
，
同时又是一串向着观察者飞速运动的微粒
，
因为有一些量子实验和量子现象揭示了光的波动性
，
而另外一些实验和现象则揭示了光的微粒性
——
但是这两种性质从来不能同时被表现出来。而在我们尚未对光进行观察和实验之前
，
光同时既是电磁波又是粒子。
在量子领域里
，
一切都是模糊的
——
我们所探讨的每一个对象
，
光也好
，
电子也好
，
原子也好
，
夸克也好
，
都是朦胧的。“不确定性原理
”
(uncertainty principle
)
主宰着整个
量子
力学领域
，
所有的事物都无法准确地被看见、触摸或了解
，
只能透过概率的薄雾去感知。从本质上说
，
对实验结果进行科学的预言
，
这只是以概率的形式表达出来的统计结果
——
我们所能预测的只是某个粒子最有可能处在的位置
，
而并非其精确的位置。同样
，
我们也无法准确地测定某个粒子的位置及其动量。更糟糕的是
，
这弥漫于整个
量子
世界的迷雾不会消散
，
因为根本就
没有什么未被发现的“隐变量
”(hidden variables
)
，
如果有的话
，
我们对自然边界线那边的量子世界的情况就会有更加准确的了解。那种不确定性
，
那种模糊状态
，
那种种的可能性
，
那种弥散性
，
是挥之不去的
——
这一切神秘莫测、难以捉摸、若隐若现的元素正是神奇的量子领域那不可或缺的组成部分。
更令人费解的是量子系统有一种神秘的叠加态
。一
个电子(带负电的基本粒子)或光子(光的量子)可以同时处于两种或两种以上的状态。我们再也不能说“在这里或者在那里”
，
在量子世界里我们只能说“既在这里
，
又在那里”。从某种意义上说
，
一个光子
，
也就是照射在一个带有两个孔的屏幕上的一束光的组成部分
，
可以在同一时间穿过两个孔
，
而不是像预期的那样只穿过其中的一个。在环绕原子核的轨道上运行的电子
，
在同一时刻
，
可能处于好几个不同的位置。
在这离奇的量子世界中
，
最神秘莫测的现象还数所谓的“量子纠缠”。两个相隔甚远的粒子
，
其距离可以达到数百万甚至数十亿英里
，
彼此神秘地联系在一起
，
其中一方发生的任何状况都会立即引发另一方产生相应的变化。
三十年前我从海森堡的讲座上所学到的就是
，
我们必须摈弃从经验以及感官得来的有关世界的先
入
之见
，
而让数学来做我们的向导。电子所存在的空间迥异于我们所赖以生存的空间
，
数学家们称那个世界为“希尔伯特空间
”
（Hilbert space
)，
其中还活跃着别的微粒以及光子。这个由数学家而非物理学家创立的希尔伯特空间
，
似乎很好地描述了量子世界的神秘规律
，
而从我们囿于日常经验的眼光来看
，
那些规律纯属无稽之谈。研究量子系统的物理学家要依靠数学来预言实验的结果或者现象
，
正是因为他们无法依靠自然形成的直觉经验去感知一个原子、一条光线
，
或者
一
串粒子内部所出现的状况。量子理论挑战着我们的“科学”理念
——
因为我们无法真正直观地理解微粒的奇怪运动。同时
，
它严重地质疑着我们所谓的“实在”
(
reality
)
观念 ............

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