在电磁感应理论出现后,我们才有了电动机与发电机及电力工业;没有量子力学的建立,就不会有晶体管和激光的发明及今天的电子信息产业;量子场论也应该不会永远只呆在象牙塔里,它可能将引导我们走向一个全新的世界。
3.5量子的“爱情”
自然界是如此的奇妙而有趣,“树上的鸟儿成双对”、太阳黑子成双对、气体分子成双对、就连微观世界的光量子也通常是成双成对的。如果将一对“相爱”的光子拆开,不论它俩分隔有多远,即使是一个在太阳、一个在冥王星这么遥远的距离,它们仍然会“心心相印、藕断丝连”;当对其中一个进行操作(例如量子测量)而发生状态变化时,另一个也会即刻发生相应的状态变化,仿佛它们俩可以藐视时空的限制,拥有了超光速的秘密通信一样。这种“爱情”不仅仅只发生在光子身上,也可以是电子、分子、甚至“巴基球”等,并且也有“多角恋”。物理学家们将这种在两个或多个量子系统之间,存在的非定域、非经典的强关联叫做量子纠缠(quantum entanglement)。
非定域作用是指那种无论距离多远的、无滞后瞬间的、无需媒介的、无可阻拦的超时空作用,常称超光速作用或类空作用。早在1935年,爱因斯坦等人就提出了量子力学中这种非定域的量子强关联系统的理论预言,其目的是为了试图表明量子力学的理论是不完整的。定域性原则,是爱因斯坦坚信的原则之一,即:发生在某个时空点的事件不能被相距类空间隔的另一个事件所影响,也就是说任何物理效应都不可能以大于光速的速度传递。“纠缠”显然与之相矛盾。爱因斯坦还说了一段嘲笑纠缠的著名段子:“鬼魅似的远距作用(spooky action at a distance)”。
纠缠提出后,引起了众多科学家对量子纠缠的研究兴趣。在二十世纪后期,随着技术的进步,以及越来越高超的实验手段,为精确严密的实验提供了必要的条件。从上世纪八十年代迄今,科学家们为探究纠缠之谜,做了一系列的实验,如1982年的阿斯派克特(Aspect)实验;随后,在世界各地的实验室里,相同或改进精度的实验都表明:“相爱”的粒子间顽强地保持着一种神奇的超光速的联系。
在2008年8月14日出版的一期英国《自然》(Nature)杂志中,公布了一项瑞士日内瓦大学的丹尼尔·赛拉特(Daniel Salart)等五位科学家对纠缠光子进行实验的研究成果,题为“测试‘鬼魅似远距作用’的速度(Testing the speed of‘spooky action at a distance’)”。科学家们首先将光子对拆散,然后,通过由瑞士电信公司提供的光纤向两个村庄接收站进行传送,接收站之间相距大约18公里。沿途光子会经过特殊设计的探测器。最终,接收站证实每对相互纠缠的光子被分开传送到接收站后,两者之间仍然存在纠缠关系。通过对其中一个光子的分析,科学家可以预测另一光子的特征。在实验中,任何隐藏信号从一个接收站传送到另一个接收站,仅仅需要一百万兆分之一秒。由此可以推测信号的传输速率至少要超过光速的10000倍。
量子纠缠是在争论中不断发展的,虽然有不少的实验已经证明了量子非定域性的纠缠确实存在,量子物理学家也能计算和应用纠缠,但纠缠背后的神秘机制始终困惑着物理学家们,总不至于真有鬼魅、幽灵出现在量子世界里。或许是由于不同观点间的争论把简单的事情搞复杂了,现在我们就换个视角来看纠缠吧。根据量子场论的观点:所有的粒子都可以看成是场。如果处于纠缠态的场与场之间的相互作用并没有传递过程,只是相互感应,那为什么也要受光速的限制呢?既然宇宙空间充满了天体的恒磁场,处于纠缠态的场与场之间,为什么就不可以利用空间磁场作为物理载体而偶合两者的感应呢?
我有一个“冷酷”的办法可以验证“恋爱”中的粒子是不是利用了天体的空间恒磁场:将一对“恋人”拆散后的其中一个,关进一封闭的超导体空间内,使外部空间的磁场与超导体内的空间完全隔绝,然后再检测它们看看还“纠不纠缠”。超导体具有完全抗磁性,外部空间的磁力线能被完全排斥到超导体之外。做这样一个实验可以告诉我们纠缠是否与空间磁场有关。不过,即使我们不做这样的实验、不知道纠缠背后的机制是什么,都不妨碍我们充分利用纠缠。
1933年,德国物理学家瓦尔特·迈斯纳(Walther Meissner,1882—1974)发现,超导体一旦进入超导态,体内的磁通量将全部排出体外,磁感应强度恒等于零,这种现象被称为迈斯纳效应,又称为完全抗磁性。
3.6“纠缠”未来
在未来某天的上海,他或她象走进汽车站一样走进了路边的隔空传物站,交费后进入一个标有“纽约”的房间,一瞬间后,他或她就出现在纽约的街头;客运飞机不会有了,基于隔空传物技术的全新经济发展了起来。
量子态隐形传输(Quantum Teleportation),或称纠缠辅助隐形传输(Entanglement—assisted teleportation),是一种利用了量子纠缠的一套革命性的信息传递方式。隐形传输原是出自科幻作家的想象,一个物体或人在一个地方消失,而在另一个地方出现一个完美的副本。如何实现这一点通常没有详细的解释,但一般的想法似乎是对原始的样本进行扫描,从中提取的所有信息,将这个信息发送到接收的位置,并用来构建副本,就像是一个可以隐形传送三维物体的传真机。
在以前,隐形传输的想法被认为是违反了量子力学的不确定性原则(或测不准原理),因为根据不确定性原理,测量或扫描过程中,无法准确提取一个原子或其它微观粒子的所有信息;当测量一个粒子时,这个粒子的原始量子状态会因测量而发生变化。既然不能提取一个样本的足够完整的信息,那么隐形传输一个完美的副本当然就无法进行。但科学家们找到了一种方法,利用量子纠缠效应,能将一样品粒子的完整信息传送到遥远的另一粒子上,使另一粒子成为一个完全一样的样品粒子。不过在操作过程中,原样品粒子的量子状态还是会被改变,并不再是原来的样子了。因此,这不是一个简单的复制过程,而是隐形传输(或隔空传输)。
1993年,美国物理学家查尔斯·贝尼特(Charles Bennett)等人首先提出:根据量子力学,利用纠缠,在原则上可以瞬间移动一物体。1997年,奥地利的因斯布鲁克大学首次在实验中得到证实;2009年,中国科技大学—清华大学联合研究小组在北京八达岭与河北怀来之间,成功实现了长达16公里的量子态隐形传输,是当时世界上最远距离的量子态传输。不过实验中传输的还不是一个具体实物,只是量子信息。毫无疑问,量子纠缠作为一种物理资源,是完全可以用它来为我们做一些事情的。
从1935年爱因斯坦等人提出纠缠伊始,沿着纠缠这条漫长的道路,科学家们已勾画出未来的隔空传物、量子计算机、量子互联网、量子加密术等令人期待的迷人前景。在未来,普及型家用传物机进入千家万户,人们可以在互联网上即时买到全球任何一个地方的新鲜果蔬、鲜活水产等,也可以向某饭店点购一份热腾腾的佳肴。或许科学家们还会发明出带有量子信息过滤设施的特殊量子态隐形传输机,将人体在通过一次量子传输过程中,过滤掉人体中的不良成份,如肿瘤、艾滋病毒等,使疾病患者在一瞬间就百分之百的治愈。
今天的世界,是处在一个科学技术日新月异的时代,是一个将神话变成现实的脚步越来越快的时代。目前,量子物理学家们已在为争夺量子科技领域的制高点展开了激烈的竞争,那些神奇而迷人的未来景象,离我们未必会有多么遥远。当我们在不久的将来,实现了全球的量子互联网;造出了运算功能超强的量子计算机;隔空传物已成为一种平常事;之后又会怎样呢?科学的脚步是不是就停止了呢?
根据量子场论,场的激发态表现为粒子的出现;场的激发态消失,处于基态时,则表现为粒子的消失;不同的激发态表现为粒子的数目和状态的不同。所以,一物体在空间中的消失与再现,并不违反物理学。另外,仅管我们不知道纠缠粒子间的超光速的强关联是不是利用了空间恒磁场,毫无疑问的是,如何利用好天体的恒磁场,其中一定大有文章!由于目前在实验中的量子隐形传输或隔空传物必需有经典网络的连接,所以它还并非是真正意义上的超越时空。只有在空间的某一处消失,在遥远的另一处空间再现,中间没有具体的运动过程,也没有任何经典连接的隔空传输,才是真正意义的超越时空;当然,中间物理载体是不能没有的,那就是天体的恒磁场。利用好磁场,超越光速,时间旅行,不会是无法实现的梦想!这也很可能是科学走过了漫漫长路之后,迈向辉煌顶点的最后冲刺。