《宇宙自然生命简史：21神奇的量子纠缠》歌词

[00:00:00] 本字幕由腾讯音乐天琴实验室独家AI字幕技术生成

[00:00:05] 欢迎收听科学有故事

[00:00:09] 比科学故事更重要的重要是更重要的是科学精神

[00:00:18] 这是科学有故事与腾讯音乐天琴实验室联合制作的科普节目

[00:00:22] 我是你的主播汪洁

[00:00:25] 今天的节目在开奖之前啊

[00:00:27] 我必须给你一个高能预警

[00:00:29] 因为非常的烧脑

[00:00:31] 我们会用比平时更慢的语速来讲

[00:00:34] 我们今天要讲的是量子纠缠你准备好了吗

[00:00:40] 我们从何而来

[00:00:43] 要去向何方

[00:00:48] 一个星球一个实验

[00:00:51] 请听我为您讲述有关宇宙自然生命简史

[00:01:01] 要理解什么是量子纠缠

[00:01:03] 我们必须回到这个问题的源头

[00:01:06] 那就是1935 年的五月

[00:01:09] 爱因斯坦同两位年轻的美国物理学家波多尔斯基和罗森在美国的物理评论杂志上发表了题为能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗

[00:01:23] 这样的一篇论文在物理学界哲学界都引起了巨大的反响

[00:01:30] 这篇论文啊

[00:01:31] 提出了一个名垂千古的思维实验以论文的三位联合作者的首字母命名就被称为EPR 实验

[00:01:40] 正如这篇论文的标题所表达的意思

[00:01:43] 那样爱因斯坦想用这个思维实验告诉所有的物理学界以玻尔为代表的哥本哈根学派的量子力学解释是有问题的

[00:01:54] 那么

[00:01:55] 到底什么是EPR 实验呢

[00:01:57] 如果我用爱因斯坦的原始论文来讲解的话会非常的困难

[00:02:02] 其实呢

[00:02:02] 我也没看懂

[00:02:04] 不过好在啊这个实验原理

[00:02:06] 经过这么多年的发展已经有了一个更加通俗易懂的等价的版本用这个版本理解起来会比爱因斯坦的原始论文容易得多

[00:02:17] 那么我们今天要讲解的就是这个改进简化过的版本

[00:02:23] 首先呢

[00:02:24] 我们要理解一个最基本的概念

[00:02:27] 那就是电子的角动量什么事角动量呢

[00:02:32] 最常见的一个比喻啊

[00:02:33] 就是花样滑冰中的旋转动作运动员

[00:02:37] 把自己抱得越紧

[00:02:38] 就会转得越快

[00:02:40] 它的物理原因呢

[00:02:42] 就是角动量守恒

[00:02:44] 所以啊

[00:02:45] 仅仅从理解概念的角度来说

[00:02:47] 我们可以很粗糙的认为角动量就是转动扫过的圆面积和转数的乘积

[00:02:55] 这是一个固定的值面积变小了

[00:02:59] 速度呢

[00:02:59] 就必然会增大

[00:03:03] 按照普适的物理法则

[00:03:05] 电子与原子构成的总角动量也是守恒的

[00:03:10] 但是啊物理学家们在实验中发现在某些情况下这个系统的角动量总是会丢失一部分这个就很奇怪了

[00:03:19] 难道在微观世界连角动量也不守恒了吗

[00:03:24] 后来发现啊守恒定律并没有被打破

[00:03:27] 而是电子自身也有角动量

[00:03:30] 整个系统丢失的角动量

[00:03:32] 其实呢都转移到了电子自己身上总的角动量依然是守恒的

[00:03:39] 因为角动量跟旋转有关

[00:03:41] 所以啊物理学家们就把电子的角动量称为自旋

[00:03:46] 但我必须强调一句啊

[00:03:48] 虽然叫自旋

[00:03:50] 但真实的电子并不是像陀螺一样绕着一个轴旋转

[00:03:55] 那他到底是怎么个转法呢

[00:03:57] 对不起啊

[00:03:58] 真的没法描述

[00:03:59] 说实话呢

[00:04:00] 物理学家们也不知道量子世界的很多东西都是只能意会无法言传的

[00:04:07] 就好像波粒二象性

[00:04:09] 我们也只能意会无法言传

[00:04:12] 我们只是在实验中发现了电子有角动量

[00:04:15] 然后呢

[00:04:16] 我们给电子的这个特性起了一个形象化的名称叫自旋

[00:04:21] 仅此而已

[00:04:22] 一定要记住

[00:04:24] 科学家们还发现啊电子的自旋态只有两个自由度

[00:04:30] 在量子理论中说不清道不明的概念

[00:04:32] 那实在是一堆一堆的

[00:04:34] 那么我只能试图用下面的这个比喻啊

[00:04:37] 来说明这个自由度是啥意思

[00:04:40] 假如我们把旋转的滑冰者比喻成一个电子的话

[00:04:44] 那么无论我们朝哪个方向去观察这个滑冰的人都只能看到两种结果中的一种

[00:04:52] 要么呢

[00:04:53] 它是头对着我们转要么呢视角对着我们转不可能出现其他的情况这个呢

[00:05:00] 大概就是电子只有两个自由度的概念

[00:05:03] 而我们大家都知道我们的空间啊

[00:05:06] 是一个三维的空间

[00:05:08] 也就是说呢空间中有三个互相垂直的方向

[00:05:13] 我们把它称为XYZ 这个为了语言上描述的方便啊

[00:05:18] 现在呢

[00:05:19] 我们就来做一个人为的规定

[00:05:22] 假如我们从Y 轴方向去观察一个电子

[00:05:26] 那么这个电子就只有两种自旋态一种呢

[00:05:30] 我们叫他上自旋另一种呢

[00:05:33] 我们叫它下自旋

[00:05:35] 总之啊电子的自旋态只有两个自由度

[00:05:39] 虽然很奇怪啊

[00:05:40] 但确实是实验观察的结果

[00:05:44] 假如我们从X 轴方向去观察一个垫子

[00:05:47] 那么我们就把他的两个自由度叫做左自旋或者右自旋

[00:05:53] 那么如果从Z 轴方向去观察

[00:05:55] 那么我们就叫钱自旋或者后自旋请注意啊

[00:06:00] 这些上下左右前后啊

[00:06:02] 仅仅是我们为了描述方便而起的名字并不是真正的有这些上下左右的方向

[00:06:09] 如果我们用ABCD 来指代也完全是可以的

[00:06:13] 这一点呢

[00:06:13] 又请大家记牢

[00:06:15] 好接下去呢

[00:06:17] 就是物理学家们发明了一种装置

[00:06:20] 称之为偏振器

[00:06:22] 它可以对电子啊进行筛选

[00:06:25] 比如说只允许上自旋的电子通过或者呢

[00:06:29] 只允许左自旋的电子通过

[00:06:32] 这个呢

[00:06:33] 就叫做偏振器下面呢

[00:06:36] 我们就要开始来做物理实验了

[00:06:39] 注意啊

[00:06:39] 这是真实的物理实验的结果

[00:06:42] 让一个电子飞向一号偏振器这个呢

[00:06:46] 是一个丧字玄的偏振器

[00:06:49] 如果电子通过去了

[00:06:51] 说明啊

[00:06:52] 这个垫子就是上自旋的电子

[00:06:55] 因为这是偏振器的特性吧

[00:06:58] 然后呢

[00:06:59] 我们在这个一号偏振器后面再放一个二号偏振器

[00:07:04] 这个二号偏振器呢

[00:07:06] 是一个又字玄的偏振器

[00:07:09] 现在啊我们让飞过一号偏振器的电子继续朝下一个二号又偏振器飞

[00:07:16] 请大家回忆一下我们之前说的每一个电子在不同的方向上都只有两个自由度

[00:07:25] 所以说呢一个上自旋的电子有一半呢

[00:07:29] 是左自旋的还有一半呢

[00:07:32] 是又自旋的

[00:07:33] 换句话说呢飞过一号偏振器的垫子啊

[00:07:37] 有50%的概率能够通过二号偏振器

[00:07:41] 什么叫50%的概率啊

[00:07:43] 就是实验做100次大约呢

[00:07:45] 能飞过去50 个次数越多就越准确

[00:07:50] 接下去呢

[00:07:51] 我们就要见证令人颇感意外的关键性实验了

[00:07:55] 我们在二号偏振器后面再放一个三号偏振器

[00:08:01] 这是一个与一号偏振器一模一样的上自旋偏振器注意啊

[00:08:06] 是和一号偏振器一模一样的一个编程器

[00:08:10] 那么大家觉得飞过了二号偏振器的电子能不能飞过三号偏振器呢

[00:08:16] 别忘了这个电子

[00:08:18] 可是被我们之前用一号偏振器筛选出来的已经确定为上自旋的电子乐

[00:08:26] 按照地球人的正常逻辑

[00:08:28] 这个垫子应该100%的

[00:08:30] 通过下一个上自选编程器对吗

[00:08:34] 可能大家已经猜到了量子的世界啊

[00:08:37] 永远不按常理出牌实验的结果是呢

[00:08:41] 这个垫子居然还是只有50%的概率通过三号偏增气

[00:08:48] 好

[00:08:48] 我们安静一小会儿给大家回味一下

[00:08:51] 想想这到底意味着什么呢

[00:08:55] 他是不是意味着我们不可能在两个不同的方向

[00:08:59] 同时测准电子的自旋态呢

[00:09:04] 好物理学家们在实验中千百次地证实了这个现象怎么会这样呢

[00:09:11] 以爱因斯坦为首的一派呢

[00:09:13] 就做出了一个解释

[00:09:15] 我相信啊

[00:09:16] 这个解释可能符合我们大多数人对世界的看法

[00:09:21] 爱因斯坦就解释说

[00:09:23] 这是因为啊我们的测量行为本身影响了电子的自旋态

[00:09:29] 也就是说呢

[00:09:30] 当电子通过二号偏振器的时候

[00:09:33] 这个偏振器已经随机改变了电子在Y 轴方向上的自旋态

[00:09:41] 但是啊

[00:09:42] 以玻尔为首的哥本哈根学派却不同意爱因斯坦的观点

[00:09:46] 他们坚持认为电子本身不存在确定的自旋态在测量之前电子就是处在所有自旋态的叠加状态去追问到底是哪个

[00:09:59] 太对不起啊

[00:10:01] 这个问题没有意义

[00:10:03] 没有意义

[00:10:03] 没有意义

[00:10:04] 重要的观点强调三遍

[00:10:07] 在爱因斯坦听到波尔的解释啊

[00:10:09] 那是当场被气乐了

[00:10:11] 居然还有这样的解释

[00:10:13] 但是波尔呢

[00:10:14] 却一脸的认真相回应说

[00:10:16] 你有本事就证明我错了

[00:10:19] 那么我现在请问大家如果回到80 多年前你们会站在哪一边呢

[00:10:25] 诚实的回答我啊

[00:10:27] 我觉得站在波尔这边的人

[00:10:29] 要么呢

[00:10:30] 是不诚实

[00:10:31] 要么呢

[00:10:31] 就是被埋没的物理学天才

[00:10:34] 爱因斯坦和玻尔为了这个问题啊

[00:10:37] 那是吵得不可开交

[00:10:39] 他们在索尔维会议上公开的辩论针锋相对

[00:10:43] 这都成了物理学史上的一段佳话

[00:10:47] 当时间走到了1935 年的五月

[00:10:51] 爱因斯坦和他的两个学生波多尔斯基和罗森就一起向哥本哈根学派放出了一个大招

[00:10:59] 那绝对是一个超级大招啊

[00:11:02] 这个大招就被称为EPR 悖论

[00:11:06] 也可以戏称为爱波罗悖论

[00:11:08] 这也就是我刚开始提到的那篇论文那么让我们来看看这个爱菠萝大招到底是一个什么样的大招呢

[00:11:17] 跑进一段广告

[00:11:22] 这个

[00:11:25] 在这里呢

[00:11:26] 向您推荐汪洁老师的新节目环球科学有故事

[00:11:31] 我向您推荐汪洁老师的环球科学有故事向大家推荐这个新节目

[00:11:37] 再一次向您隆重推荐这档节目我也向你推荐汪洁老师的环球科学有故事

[00:11:47] 这个大招啊

[00:11:48] 就是一个思想实验

[00:11:50] 爱因斯坦说

[00:11:51] 首先我们在实验室中制造一对角动量总和为零的电子对

[00:11:59] 这个在理论上呢

[00:12:00] 是可能实现的具体怎么个制造的方法呢

[00:12:03] 我们暂且不去深究再继续听我讲下去之前呢

[00:12:07] 请先大家一定不要忘记一个最基本的物理定律就是角动量守恒

[00:12:13] 我们前面说过的好

[00:12:14] 然后呢

[00:12:15] 我们把这一对电子啊

[00:12:17] 给击碎

[00:12:18] 让他们分离

[00:12:21] 我可以打一个比方来帮助你想象

[00:12:24] 比如说我们在一个玻璃球的中心

[00:12:27] 放一点火药

[00:12:28] 然后砰的一下

[00:12:29] 把他们给炸开

[00:12:31] 刚好呢就炸成了两个碎块

[00:12:34] 这两个碎块如果呢

[00:12:36] 其中一个是逆时针旋转的那么另一个啊

[00:12:40] 就一定是顺时针旋转的理由

[00:12:43] 就是这个玻璃球原先呢是静止的

[00:12:46] 所以呢

[00:12:47] 根据角动量守恒的定律

[00:12:50] 当他被炸开以后

[00:12:51] 如果一个碎块顺时针旋转另一个碎块就必然是逆时针旋转的

[00:12:57] 这个就是本宇宙的基本法则

[00:13:00] 不管在微观世界还是在宏观世界

[00:13:03] 这个法则都是成立的

[00:13:05] 现在啊

[00:13:05] 我们让这一对原本总角动量是零的电子分开

[00:13:10] 为了描述的方便呢

[00:13:12] 我们把这两个电子就分别叫做宏电子和蓝靛紫岚电子呢

[00:13:18] 朝左边飞鸿电子呢

[00:13:20] 就朝右边非让他们分离的足够远

[00:13:23] 比如说吧

[00:13:24] 一个飞到上海另一个呢就飞到北京吧

[00:13:28] 好接下去呢

[00:13:29] 我们在北京和上海各放一个偏振器

[00:13:33] 北京的偏振器是右自旋偏振器

[00:13:37] 上海的偏振器呢

[00:13:38] 是上自旋偏振器

[00:13:41] 现在我们假设两个垫子都通过了鞭策器

[00:13:46] 那么说明阿宏电子世上自旋电子根据角动量守恒定律可知蓝电子币是下自旋电子

[00:13:56] 而蓝电子通过了右边蒸汽说明啊蓝电子是右自旋电子根据角动量守恒定律宏电子必然是左自旋电子好这个音频节目的麻烦在于呢

[00:14:10] 完全要靠你脑补画面

[00:14:12] 我没有办法用示意图的方式很直观的告诉你

[00:14:15] 你可能呢

[00:14:16] 一下子没有理解

[00:14:17] 那我再说一遍

[00:14:19] 在上海的人啊

[00:14:20] 看到洪电子飞过了上篇争气

[00:14:24] 于是呢

[00:14:25] 他就确定了鸿电子在Y 轴上的自旋态

[00:14:29] 世上自旋

[00:14:30] 那么它如何确定这个电子在X 轴上的自旋态呢

[00:14:35] 它就打一个电话去问一下北京的观察者

[00:14:38] 当他被告知北京的那个蓝电子通过了又偏振器是一个又自旋电子的时候

[00:14:45] 他就可以根据角动量守恒定律推断出自己这边的这个垫子啊

[00:14:51] 一定是左自选的

[00:14:53] 于是呢

[00:14:54] 他通过直接观察确定了鸿电子在Y 轴上的自旋态

[00:14:59] 然后通过间接推理确定了鸿电子在X 轴上的自旋态

[00:15:06] 怎么样

[00:15:06] 非常的巧妙吧

[00:15:08] 这样一来呢

[00:15:09] 我们不就确定了红蓝电子在两个方向上的自旋态了吗

[00:15:14] 即便红蓝垫子都没有通过偏振器或者呢

[00:15:19] 一个通过一个不通过这也不打紧可以用相同的逻辑推断出每个电子在两个方向上的自旋态

[00:15:28] 而玻尔的理论不是说不可能在两个不同的方向上

[00:15:33] 同时确定电子的自旋态吗

[00:15:37] 现在阿红蓝电子在两个方向上的自旋态不都确定下来了吗

[00:15:43] 唯一的解释就是红蓝电子在分离的那一瞬间

[00:15:48] 他们在两个方向上的自旋态就已经确定了就好像我们之前的那个比方中一个被火药炸开的玻璃球

[00:15:57] 那两个分开的碎片一样

[00:16:00] 他们在炸开的那一瞬间

[00:16:02] 这两个碎块怎么旋转就已经是确定了的

[00:16:07] 可见啊

[00:16:08] 不是电子有什么神奇的叠加

[00:16:10] 自旋态测不准原理就是因为测量行为本身干扰了电子的自旋态

[00:16:17] 只要我们不去测量它们的自旋态还是确定的骂

[00:16:22] 这个大招啊

[00:16:23] 实在是太厉害了

[00:16:24] 如果你听懂了我前面的描述

[00:16:27] 我想再次诚恳的问

[00:16:28] 刚才站在波尔这边的听众

[00:16:31] 你们是否还认为

[00:16:32] 爱因斯坦是错的呢

[00:16:34] 我承认啊

[00:16:35] 这一段非常的搞脑子

[00:16:36] 如果你没听明白返回去再听几遍这个一点都不丢人啊

[00:16:41] 在1935 年的时候

[00:16:43] 整个物理学界都被爱波罗悖论掀起了轩然大波

[00:16:48] 有一大波中间派的物理学家们啊

[00:16:50] 都开心坏了他们啊

[00:16:52] 就等着瞧热闹就想看看波尔海森堡

[00:16:55] 这些哥本哈根学派的大牛们怎么应对爱因斯坦的这个大招

[00:17:01] 这个波尔一看到EPR 悖论的论文

[00:17:04] 这脑袋都大了

[00:17:06] 他立即放下所有的工作全力迎战他思考了三天

[00:17:11] 终于写下了一篇反击论文这篇论文的题目啊

[00:17:16] 居然和爱因斯坦的论文标题是一模一样的

[00:17:20] 这明摆着就是要跟他对骂

[00:17:22] 波尔在这篇论文中的主要观点是这样的

[00:17:26] EPR 论文看上去啊

[00:17:28] 环环相扣

[00:17:29] 逻辑严密

[00:17:30] 但是我波尔还是给你爱因斯坦挑出了一个毛病

[00:17:35] 在爱因斯坦的整个逻辑链中有一个关键性的假设

[00:17:40] 那就是测量宏电子的行为不会影响蓝电子测量蓝电子也不会影响宏电子

[00:17:49] 但是啊您的这个假设是错误的

[00:17:53] 因为红蓝电子处于一种神奇的量子纠缠态中

[00:17:58] 不论他们离得有多远

[00:18:00] 哪怕一个在宇宙的这头一个在内头只要对其中的一个进行测量

[00:18:06] 立即就会干扰

[00:18:08] 另外一个

[00:18:09] 好吗

[00:18:10] 爱因斯坦一听博尔的这话那都被气得乐了好吗

[00:18:15] 你波尔你的意思是不是说红蓝电子有超距作用啊

[00:18:18] 换句话说

[00:18:20] 他们能够进行超光速的通讯不成

[00:18:23] 一个被测量了另一个瞬间就知道来来来来你先来推翻我的相对论先大家知道啊

[00:18:29] 在相对论中任何信息和能量的传递速度都无法超过光速的

[00:18:36] 波尔是怎么回答的呢

[00:18:38] 他说啊

[00:18:38] 对不起

[00:18:39] 爱因斯坦前辈我不是这个意思

[00:18:41] 我没有说你的相对论有什么不对

[00:18:44] 我也没有说红蓝电子可以进行超光速的通讯

[00:18:48] 我只是说阿红蓝电子

[00:18:50] 它是一个整体

[00:18:52] 它们的自旋态

[00:18:53] 在没有被测量前不是一个客观实在不是一个客观实在不是一个客观实在我重要的话又说三遍

[00:19:04] 爱因斯坦

[00:19:05] 这次听完啊

[00:19:06] 那是彻底被气晕了

[00:19:08] 说你这解释啊

[00:19:09] 还不如超光速呢

[00:19:10] 这叫什么

[00:19:11] 解释什么叫不是客观实在在物理学上居然还存在不是客观实在的物理属性吗

[00:19:19] 海因斯塔

[00:19:20] 那是拼命的摇头

[00:19:21] 她对波尔大失所望

[00:19:24] 于是呢

[00:19:25] 他们就接着论战

[00:19:27] 一直到死啊

[00:19:28] 他们谁也没有说服谁

[00:19:30] 一个电子的物理性质到底具不具备客观实在性呢

[00:19:36] 那么

[00:19:36] 什么又是客观实在呢

[00:19:38] 这些问题似乎已经到了哲学的范畴

[00:19:42] 但是啊

[00:19:42] 我敢保证

[00:19:43] 如果人类只有哲学思辨

[00:19:46] 那么永远也吵不出一个结果

[00:19:48] 好在啊

[00:19:49] 我们还有数学

[00:19:50] 还有科学

[00:19:52] 只有科学能给出确定的答案

[00:19:55] 那么这个问题到底怎么破咱们啊

[00:19:58] 把悬念留到下一期科学有故事

[00:20:01] 咱们下期接着聊

[00:20:04] 如果本期节目听得云里雾里

[00:20:06] 听了两遍也还没听懂的听众

[00:20:08] 朋友们呢

[00:20:09] 我现在呢

[00:20:10] 给大家一个好办法

[00:20:11] 那就是啊

[00:20:12] 关注一下科学有故事的微信公众号

[00:20:15] 然后呢

[00:20:16] 回复一个关键词

[00:20:18] 量子纠缠

[00:20:19] 你就可以在公众号中看到图文并茂的本期节目看文字再加图能够帮助你更加好的理解本期节目地话题

[00:20:32] 嗯嗯

[00:20:40] 我是刘敬政

[00:20:41] 我是王琴

[00:20:42] 我是吴宁

[00:20:43] 我是王

[00:20:44] 我是徐东

[00:20:45] 我是朱老板

[00:20:47] 我们是科学生意

[00:20:52] 这个关于电子自旋啊

[00:20:53] 如果大家感兴趣的话呢

[00:20:55] 也可以去听胡先生做的几期节目

[00:20:57] 我觉得非常的好

[00:20:59] 另外我发现思考盒子的节目也越做越好了

[00:21:03] 尤其是最近的七种武器系列和我读书少别骗我

[00:21:06] 这两个系列还有啊

[00:21:08] 谷歌古典最近做的航天员生活指南这个系列对于想创作硬科幻小说的朋友可能会有不少帮助

[00:21:17] 当然吴京平老师新开播的工业是这个节目也很不错

[00:21:21] 那节目荒的朋友们都可以去听一下

[00:21:25] 不知道大家注意到没有啊

[00:21:26] 我现在每周三呢都会做一期听众问答的短节目

[00:21:31] 如果大家有什么问题想问我的话呢

[00:21:33] 就可以在本期节目下面留言

[00:21:36] 我会选取我能回答得了的问题来回答

[00:21:39] 不过限于本人的才疏学浅啊

[00:21:41] 不代表一定能回答正确

[00:21:43] 这一点呢

[00:21:44] 请大家务必能理解和谅解

[00:21:47] 犯错误

[00:21:47] 谁都是很难避免的好

[00:21:50] 本期节目就到这里

[00:21:51] 感谢大家的收听

[00:21:52] 如果你喜欢我的节目

[00:21:54] 别忘了点一下订阅

[00:21:56] 也可以赞助以资鼓励

[00:21:58] 谢谢大家

[00:21:58] 我们下期再见

[00:22:14] 嗯

[00:22:38] 嗯嗯