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量子非局域性?还是量子全局效应?

已有 755 次阅读 2020-4-21 15:53 |个人分类:量子力学|系统分类:科研笔记| 量子非局域性, 退相干, 相干性, 量子纠缠

如果这个世界上还有什么令人困惑的科学概念的话,量子纠缠应该排在第一。一般描述量子纠缠,也就是我们经常听到的“诡异”超距互动,两个或多个粒子可以在间隔非常远的情况下瞬时影响。这一性质被叫做量子纠缠的非局域性,也就是不受局域性原理限制的性质。而一般认为,局域性原理是普适性原理,是狭义相对论的基本要求。由于量子纠缠广泛存在,如果量子纠缠是非局域的,就意味着局域性原理不成立,也就是狭义相对论不成立。

但是我们在关于局域性原理的表述中,可以找到关于量子纠缠的说法是:量子体系可能不遵守局域性原理。也就是,人们关于这一点的认识,还存在争议。

量子纠缠的非局域性概念如此违反直觉,也违背了基本的物理原理,那么是怎么建立的呢?这可以算是现代科学史上的最重要的实验系列了,也就是贝尔实验。1964年,约翰贝尔提出一套统计分析方法,用来区分当时认为仅有的两种可能机制,即满足局域实在论的隐变量理论和非局域理论(或者叫量子力学理解)。1972年以来的所有实验都证明了,隐变量理论不成立,所以大家都只能认可量子纠缠的非局域性了。

但是,我们经过分析发现,虽然贝尔实验否定了基于局域实在论的隐变量理论,但是却并没有证明量子纠缠的非局域性。我们注意到,一般对量子纠缠的描述中,说“无论相隔多远,对纠缠粒子对一个的测量导致另一个粒子同时坍缩到对应状态”,这个“导致”是因果联系,从来没有得到实验证明。贝尔实验只是证明了存在远程相关,并没有证明这种相关存在因果。

没有直接因果关系的相关在自然界是广泛存在的,所有的波动现象都是。量子也是波,当然会存在相关。

我们发现,所有的贝尔实验都可以用全局效应理解。全局效应和非局域性的共同点是:都存在远程相关;不同点是:非局域性存在超距因果,全局效应不需要超距因果,是局域相互作用演化得到的全局模式。

全局效应的一个简单例子是吹笛子。笛子在堵住不同孔洞的时候,本征频率不同,但是激励(吹气)是一样的,激励频谱很宽,本征频率被放大,其它频率衰减。手指变化的时候,本征频率也变化,但是这是一个满足局域性原理要求的过程,原来本征频率振动的消失,到新本征频率振动的放大,有一个变化过程。本征频率是笛子的全局性质。如果笛子很长,各种模式的振动衰减掉之前,还没有碰到一个形成反射的结构,就不会有本征模式。

再看一个例子。一个自由粒子的波函数是平面波。如果突然把它夹在一个两块无法穿透的板之间,也就是放在一个无限深势阱内,该粒子的波函数立刻变成一些离散的固定频率驻波的叠加,因为波函数必须保证在边界为零。数学上看,我们给一个微分方程(薛定谔方程)设定了边条件。如果我们移动边界,频率组合会随之变化。边条件的影响是全局的,也是瞬时的。这是传统量子力学的标准图像。

所有的波动现象都是全局效应。一列波任意两点都是相关的,但是都是对波源的响应,与波源有因果关系,而这两点之间不一定有因果关系。

在贝尔实验中,如果产生的“光子对”空间相干范围覆盖了测量仪器,那么测量仪器就像笛子孔的位置一样,影响了光子对的产生,所以光子对产生是一个全局效应,而不是光子已经分离到两端(两个局域光子)的非局域关联。没有理由认为两个光子是分离的,局域的。实际上,这里是一个悖论,既然量子是非局域的,就不能假定两个光子是局域的。如果两个光子都是非局域的,就不能认为它们是分离的。这里还有一个光子究竟是什么的问题,参考爱因斯坦对光子概念的疑惑。

2015年的“无漏洞贝尔实验”,通过光纤将两个金刚石色心连接,构成共振结构,二者的“纠缠”实际上是共振。实验结果很平凡。

传统的量子力学中,量子的相干性是理想的。对于任何一个波函数,只需要描述其几率幅,完整的波函数只是再加上一个含能量随时间线性变化的相位和一个任意的初始相位。在全空间,波函数的相位处处相等。但是我们知道,量子力学体系和经典局域体系的差别就在于体系有没有相干性。传统量子力学根本不讨论相干性,因为必然理想相干。后来关于退相干的研究,完全是唯象的描述,没有机制。

我们认为,贝尔实验的非局域性,实际上是一种全局效应,而全局效应的有效范围,受系统相干性的有效范围限制。这种认识可以通过实验验证。

我们知道,根据定义,非局域量子纠缠只与两个纠缠的粒子有关,与距离或任何别的因素无关,只要没有发生有效测量。而全局效应则受到量子效应的范围限制,也就是相干范围限制。如果我们可以控制量子纠缠系统的相干范围(距离),就可以区别量子纠缠究竟是非局域的,还是一种全局效应。

比如,对于双光子偏振纠缠系统,我们可以用非相干的光源照射光子对发生器,或者激光源进行进行切割,调节信号的相干范围,测量相应的纠缠情况。如果纠缠是非局域的,那么不应该发生变化,如果是全局效应,纠缠度会相应变化。

实验实际上将检验两个问题。第一个问题是,纠缠,也就是全局效应有效的范围,是不是就是相干范围。如果是,那么纠缠就是一种全局效应,而不是非局域的。第二个问题是,传统非相对论量子力学的有效范围,或者说,与经典局域理论的的边界,是不是就是相干范围,即,量子力学如何逐步随着相干性减弱过渡到经典理论。两个问题都是量子力学的最基础问题。

我猜测,所有的量子现象,都是量子全局效应。




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2 刘全慧 王安良

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