物理學十大悖論(上)量子糾纏竟是愛因斯坦在EPR佯謬中提出的?

在物理學中,一個悖論可能引發一場科學革命。——米格達爾

物理學十大悖論(上)量子糾纏竟是愛因斯坦在EPR佯謬中提出的?

芝諾悖論

阿基里斯永遠追不上烏龜。因為阿基里斯首先要到達烏龜出發的起點,此時烏龜會向前走一段路,於是他又必須趕上這段路,而烏龜又向前走了一段路,雖然愈追愈近,但是始終追不上它。

芝諾悖論的關鍵在於無限可分性,通常用微積分原理解釋,即無限數量的積分可以存在極限值,例如收斂的無窮級數1+1/2+1/4+1/8+...→2,所以無限可分的時間(距離)之和不等於無限時間(距離)。當然,量子力學已經揭示了世界的離散性,最小的時間是普朗克時間5.39*10^-44s,最短的距離是普朗克長度1.62*10^-35m,自然也就不存在芝諾悖論了。

奧伯斯佯謬

若宇宙是穩定而無限的,則晚上應該是光亮而不是黑暗的。

物理學十大悖論(上)量子糾纏竟是愛因斯坦在EPR佯謬中提出的?

奧伯斯佯謬的關鍵在於宇宙大爆炸,由於時間有過一個可怕的爆炸中的開端,所以恆星發光的時間不可能比宇宙的年齡(138億年)更久,其次因為空間膨脹引起的紅移,可見光都成為了肉眼看不見的宇宙微波輻射(2.7k的黑體輻射)。

梨子宇宙:當沿著事件的光錐回溯過去,由於質量的彎曲,光線會往相反方向彎折,光錐的截面在有限的時間內縮小至零尺度——奇點。因此,我們過去的宇宙是梨子形狀的。

物理學十大悖論(上)量子糾纏竟是愛因斯坦在EPR佯謬中提出的?

麥克斯韋妖

麥克斯韋作為熱力學第二定律的破壞者,提出了一個假定的存在物,近一個世紀以來,它佔據了許多傑出科學家的心。——愛倫伯格

物理學十大悖論(上)量子糾纏竟是愛因斯坦在EPR佯謬中提出的?

熱力學第二定律:熱量不能自發地從低溫物體轉移到高溫物體,即一切變化總是向熵增大的方向進行(熵增原理)

麥克斯韋首先意識到自然界可能存在某種熵減小的過程,於是提出了一個思想實驗,設想一個存在物——麥克斯韋妖,它的能力是可以探測分子的速度。首先將一個絕熱的盒子用一個絕熱的隔板分成兩半,隔板上有一個“暗門”,然後“妖”控制“門”將運動速度較快的分子放入一側,而較慢的分子放入另一側,如此一來,其中的一側就會比另外一側溫度高,從而違背熱力學第二定律。

物理學十大悖論(上)量子糾纏竟是愛因斯坦在EPR佯謬中提出的?

麥克斯韋妖的關鍵在於信息熵(S=∑pln1/p)和熱力學熵(S=klnΩ)在本質上是一致的,熱力學熵的減少等於信息熵的增加。假設麥克斯韋妖真的存在,那麼它觀察分子速度及獲取信息的過程必然增加了信息熵,同時產生額外的能量消耗,也就是說,包括麥克斯韋妖和容器在內的系統總熵還是增加的,並不違反熱力學第二定律。

EPR佯謬

物理學十大悖論(上)量子糾纏竟是愛因斯坦在EPR佯謬中提出的?

1935年,愛因斯坦、波多爾斯基和羅森三人提出了“定域實在論”:一個完備的理論系統應當包含所有的物理實在元素,對於兩個分開且沒有相互作用的粒子,對其中一個的測量必定不能修改關於另一個的描述。

但是他們通過對量子力學的計算發現,由兩個粒子組成的一維繫統中,雖然單粒子的座標和動量算符不對易,但雙粒子的座標算符 x1-x2和動量算符p1+p2對易。因此可以存在一個雙粒子疊加態,是算符 x1-x2和p1+p2的共同本徵態。即:

(x1-x2)ψ(AB)=aψ(AB)

(p1+p2)ψ(AB)=0

以上正是量子糾纏的重要內容,然而愛因斯坦卻得出結論:量子力學不符合定域實在論。這就是所謂的EPR佯謬。

物理學十大悖論(上)量子糾纏竟是愛因斯坦在EPR佯謬中提出的?

EPR佯謬的關鍵在於量子糾纏的非定域性,科學家通過實驗證明了貝爾不等式P(xz)-P(zy)|≤ 1+P(xy)不成立,量子力學確實是不完備的,而現實也是非定域性的。

每個時代都有其神話,相信的人多了,就稱之為至高的真理。

在科學之路上,這個時代的謬誤也可能是下個時代的真理。


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