03.08 都說光速不可超越,那量子糾纏或引力波為什麼就超光速了呢?

沙洲貓


在愛因斯坦建立狹義相對論以後,就從狹義相對論裡得到了有質量物體無法通過有限加速達到光速的推論,另外也得出無質量物體必定以光速運動,基於這兩點就能推論出能量和信息傳遞速度也不能超過光速,可以說能量和信息傳遞不能超光速就包含了前面兩個推論,因此通常我們提到狹義相對論不能超光速時,只要理解成能量和信息傳遞不能超光速就可以了。

那麼量子糾纏和引力波超光速了嗎?這其實是兩個問題,我們必須分開討論,因為兩者的性質完全不同。

量子糾纏

量子糾纏最早是由愛因斯坦提出的,用以質疑玻爾為首的哥本哈根學派對波函數坍縮的概率解釋。他從哥本哈根學派認為在被測量到之前,微觀粒子不存在確定的狀態出發,提出了這麼一種情況:

通過特殊的方式,我們可以得到一對狀態(量子態)互相糾纏的光子,為了方便理解,我們可以假設這對光子的自旋方向一個是上旋,一個是下旋。我們可以把這對光子通過光路分開到一定的距離,比如1光年。然後對兩者分別進行測量。根據哥本哈根解釋,在其中一個光子被測量到的那一刻,狀態才會確定,也就是當我們在A點測量光子a時,它才隨機坍縮到一個自旋態,比如為上旋,那麼基於糾纏的特性,在1光年外的B點處的光子b就應該會是下旋。所以當我們通過以糾纏光子的發射點作為標準進行時間校準後,在相隔1光年的A、B兩點同時進行測量,那麼將會分別測量到一個上旋和一個下旋的光子,而肯定不會同時測量到兩個上旋或兩個下旋的光子。

(量子糾纏)


那麼問題來了,此時a、b兩個光子相距已經有1光年遠了,它們是怎麼做的瞬間隨機坍縮到一個狀態而又能保證互為相反的呢?如果a、b光子確實是被測量那一刻自旋態才被確定並且完全隨機的話,那a、b之間就必須存在某種關聯讓雙方知道對方的狀態,而這種關聯是瞬時的,也就是超光速的,這就違背了狹義相對論裡的信息傳遞不能超光速了。

於是愛因斯坦以此向玻爾為首的哥本哈根學派發起挑戰:是放棄狹義相對論還是放棄哥本哈根詮釋?

在愛因斯坦看來,如果要承認狹義相對論的正確性,那麼互相糾纏的光子應該在分開的那一刻狀態就已經確定,這樣無論它們之後分開多遠,都能在測量時得到相反的自旋態。所以他認為哥本哈根學派認為光子的狀態在被測量時才確定的說法是錯誤的。

(愛因斯坦和玻爾)


然而玻爾並不這麼認為,他堅持哥本哈根詮釋的正確性,他指出,在測量前不存在兩個光子的波函數,而是隻有一個波函數,只有當其中一個光子被測量到時,這個唯一的波函數才隨機坍縮為確定的兩個光子。既然只有一個波函數,隨機坍縮的兩個光子的狀態自然是同時確定的,但這不需要在兩個光子間傳遞信息,因為坍縮前只有一個波函數。這其實跟單個光子的波函數坍縮是完全一樣的,單個光子在被測量前波函數瀰漫在整個空間任何可能的地方,但一旦測量,它就從全空間坍縮到一個確定的位置,並且是唯一的位置,它無需告知別處所有可能出現的地方的“自己”不要出現。

在這種解釋裡,兩個光子之間是不傳遞信息的,而由於其坍縮前無法確定狀態,因此光子本身也不攜帶信息,而由於測量即坍縮,因此也不能提前錄入信息。既沒有傳遞信息,也沒有攜帶信息,也不能錄入信息,量子糾纏自然就根本不存在超光速傳遞信息了。


引力波

量子糾纏沒有超光速那引力波呢?這個問題分兩種情況。

首先引力波傳播速度等於光速這是廣義相對論得出的結論,雖然它其實是利用光速常數c強行規定的,但是在多次引力波事件的測量中已經證明,引力波傳播速度就是光速!特別是雙中子星合併引力波事件,由於引力波和多波段電磁波接收到同一信號,因此已經非常確定引力波傳播速度與電磁波波速,即光速一致!

(雙中子星合併)


但是在引力波問題上還存在另一種情況,就是宇宙膨脹。

我們知道根據天文觀測,宇宙正以大約70km/s/Mpc的速度膨脹,這就導致宇觀尺度下兩點間的距離在漸漸拉大,因此在引力波源處發出引力波後,引力波沿空間傳播過程中,空間距離被拉大了。距離變了那引力波速度怎麼算?這問題其實跟宇宙膨脹下的光速是同一個問題。很顯然,如果忽略掉宇宙膨脹本身的距離增加問題,宇觀尺度下的引力波和光速都將下降,也就是都將低於真空光速常數c。這是很容易理解的,比如說一個距離地球1億光年的雙中子星發生碰撞,那麼伽馬射線爆和引力波將以光速向地球傳播,這將需要1億年時間,然而在這1億年的傳播過程中,雙中子星與地球之間的空間在不斷膨脹,距離在不斷增加,那麼它還能在1億年時到達地球嗎?顯然不可能,不然就超光速了。實際情況是引力波和伽馬射線暴都將超過1億年後才能到達地球,如果此時我們依然按照靜態宇宙的距離1億光年來計算,那引力波和伽馬射線暴都將低於光速了……

但實際上當我們引入考慮了宇宙膨脹的距離定義,問題就迎刃而解了,引力波和伽馬射線暴依然剛好就是光速c。

(宇宙膨脹導致空間距離增加)


結論

綜上分析,量子糾纏和引力波都沒有超光速,量子糾纏壓根不存在速度問題,它既沒有能量傳遞,也沒有信息傳遞。而引力波速度則嚴格等於光速,這已經在天文觀測中得到嚴格證實了。


星宇飄零2099


關於量子糾纏,你可以這樣理解:把一雙鞋的左右兩隻分別放進兩個盒子裡,然後把這兩個盒子分別放在宇宙兩端,你打開其中一個盒子發現鞋子是左腳的,立馬就知道了宇宙另一端的那隻鞋是右腳。這個感知速度幾乎就是無限的,但是並不違反相對論,因為這裡的信息傳遞應該是從把鞋子分開那一刻算起的,而不是打開盒子的瞬間。其實量子糾纏的信息傳遞模式跟這個差不多,傳遞是從創造出一對糾纏粒子開始算起,而不是檢測粒子自旋狀態的時候,所以並不存在超光速信息傳遞,這個信息傳遞速度遠低於光速。以上只是我為了便於理解打個比方而已,其實頗有不妥之處,但我相信這是最易懂的科普語言。量子通信的意義在於信息傳遞的絕對安全性,因為量子信息被接收一次後量子態就坍縮了。

關於引力波速度:在廣義相對論理論裡面,引力波的確是光速,這是愛因斯坦最早得到引力波的方程的時候就發現的。目前公開的幾個探測到的引力波事件,同時測量到了對應的電磁波也就是光的信號,所以有力地證明了引力波速度和光速一致。


羅先生很有範


量子糾纏的實質並不是兩個粒子之間有什麼靈犀想通,而是兩個同步運動的粒子表現出的形態一致性。它不是超距作用,不能傳遞信息,更不是什麼靈犀相通。

經過在一起糾纏過後,兩個粒子就具有相同或相反的運動規律,這個運動規律將持續很長時間,即使兩個粒子分開很長距離。那就能夠從一個粒子的狀態推測另一個粒子的狀態。這個粒子現在是左旋,那個粒子一定在右旋。

在一起糾纏過的粒子就像是兩粒相同的種子,分別種在兩塊地裡,然後觀察種子生長過程,必然是同步的。再比如將兩個鍾互相撞一下就算糾纏了,然後拿在較遠的兩個地方。兩個鐘的振動頻率衰減速度也是同步的。

再比如我們把兩幅牌,將其牌點的排列順序整理得一樣。然後各自放進一個翻牌機器裡,翻牌機器每天翻一張牌。每天兩個翻牌機翻出的牌點一定是相同的。將兩個機器拿到兩個距離很遠的地方,比如一個在北京一個在紐約。兩個機器每天翻出的牌點也是一樣的。這兩個機器之間並沒有通訊聯繫,但是卻能表現出相同的信息,北京的機器翻出一個梅花五,那邊紐約的機器翻出的也是梅花五。當然如果糾纏時將兩幅牌牌點順序裝反,那麼兩個機器每天翻出的牌點就是相反的。但是我們不能用這兩個機器實現通訊。

如果從北京向紐約每天用普通電磁波發送一段信息,發送時根據翻出的牌點進行加密。事先商定梅花表示乘,方塊代表除,紅桃是加,黑桃是減。今天翻出的是梅花五,就把信息乘以五發過去。紐約那邊接到後進行解密,一看機器翻出的是方塊五,就將信息除以五,就是原信息。第二天翻出的牌又變了,加密方式就又變了,那邊也根據。這樣的通訊方式當然是無法破解的,因為你不知道雙方每天翻出什麼牌點。這就是量子通訊的原理。


多維觀世界


都說了N遍了,力場如磁場和電場都是瞬間場,不需要傳播時間,瞬間抵達遠處,這個你能想象嗎?

估計絕大多數人都無法想象,因為它超出了我們思維的慣性,我可以舉出一百個理由來說明力場是瞬間場,就拿靜電場來說,假設在空中有一個靜電荷,那麼在這個靜電荷周圍空間就存在著輻射狀的電場力線,如果這個力場的傳播是需要時間的,那麼當這個電荷勻速運動時,那麼在這個電荷運動方向後部的電場線就會收縮,而前部的電場線就會膨脹,也就是說電場線就不再是輻射狀直線了,而是曲線形狀。

這就直接違反了相對性原理,因為愛因斯坦的相對性原理告訴我們:在所有的慣性系統中,物理規律相同,而在這裡我們卻會在不同的座標系中看到的同一個東西是不一樣的,這顯然是錯誤的,解釋只有一個:靜電場只能是瞬間場,只有這樣、在所有的慣性系統中,你看到的都是輻射狀的場線。


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​​對光子不能胡說八道

一會說光子的質量為零,一會說光子有靜止質量和運動質量,其實光子就是微質、微電、微體的高速運動的微觀粒子,不能前後說法自相矛盾!

由於空間內的任何點都無法區分、辨別、識別,因此空間不能做參照物。由於沒有參照物的任何一個獨立物體,不存在運動,也不存在速度,因此運動和速度都是相對的,都必須存在參照物。具體物質存在具體速度,在單位時間上,就存在具體運動距離,也就體現了具體時間的存在,具體光子在一秒鐘運動30萬公里,這就說明具體光子具有具體時間,而不是說具體光子不存在具體時間,也不是說具體物質達到光速,具體時間就靜止了,而不存在具體時間了,畢竟光子也屬於物質。假設兩個同向的不同光子,其相對速度必然接近零,也就完全沒有光速30公里/秒的說法。

光子具有波動性和粒子性,光子就必然有質量,必然有體積,必然有電量,而體積不可能就一定具有球形或完全對稱性,可以說光子就是在真空中傳播,也未必是絕對的直線傳播,光子也可能是曲線傳播,而空間也沒有絕對理由說明就能彎曲,簡直都是一派胡言!


開心果282484822


關於量子糾纏的問題,最先的爭論方分別是愛因斯坦和波爾。

1935 年 5 月,愛因斯坦同美國兩位年輕的物理學家波多爾斯基和羅森在美國第 47 期《物理評論》雜誌上,發表了題為《能認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎?》的論文,在物理學界、哲學界引起了巨大反響。\r

這篇論文提出了一個名垂千古的思維實驗,以論文的三位聯合作者的首字母命名,稱為“ EPR 實驗”。正如這篇論文的標題所表達的意思那樣,愛因斯坦想用這個思維實驗告訴物理界,哥本哈根的量子力學解釋是有問題的。

玻爾在聽到這個 EPR 實驗之後確實大吃一驚,據說茶飯不思好多天。隔了幾個月後他終於出聲了,居然以同樣的標題寫了一篇論文,來回應愛因斯坦們的挑戰。簡單說來(抱歉我只能“簡單說來”,複雜了我也說不來),玻爾說狹義相對論我是不反對的,但是這裡面的關鍵問題在於,粒子 A 和粒子 B 在你愛因斯坦看來是不同的兩個粒子,但是在我玻爾眼裡,它們從未分開,它們仍然是一個完整的整體,不論它們相隔得有多遠,它們都是一個整體,兩個量子是難分難解地糾纏在一起,組成了一種量子糾纏態,這種糾纏與空間距離無關,哪怕它們分別位於宇宙的兩端,它們也是糾纏在一起的。

愛因斯坦對於波爾提出的量子糾纏堅決否定,但是苦於他們只有一個理論基礎,並沒有做實驗來證明這個理論的正確與否。在物理學上如果沒有實驗來證明你的理論,這個理論則是等於沒用的。很遺憾,知道愛因斯坦和波爾都逝世了,這個實驗還沒有做出來。

直到出現了一個英國數學奇才,他的名字叫貝爾(注意不是發明電話的那個貝爾),他發現了一個數學“不等式”,這個不等式被科學界稱為“貝爾不等式”,被譽為“科學中最深刻的發現”。這個驚天地泣鬼神的貝爾不等式有一個巨大的魔力,可以對我們這個宇宙的本質做出終極裁決,它可以使得 EPR 實驗從思維走向實驗室。

1982 年,法國奧賽研究所。\r

人類歷史上,這是對 EPR 實驗進行的首次嚴格的實驗檢測,這次實驗被稱為“阿斯派克特實驗”,以這次實驗的領導者阿斯派克特命名。這次實驗總共進行了三個多小時,兩個分裂的量子分離的距離達到了 12 米,積累了海量的數據。最後的結果與量子論的預言完全相符,愛因斯坦輸得徹徹底底,從此 EPR 實驗也被稱之為“ EPR 佯謬”。

EPR 實驗的結果無可辯駁地呈現給當時的整個物理學界這樣一個事實:要麼放棄定域,要麼放棄客觀實在。定域性是經受了幾十年嚴苛考驗的偉大的相對論的推論,而客觀實在則是大多數物理學家心目中的公理,不證自明的。如果是你,你會怎麼選擇呢?我看你可能最好奇的是那個發現貝爾不等式的可憐的貝爾,到底會做出怎樣的選擇。那個可憐的貝爾在被逼急了以後,只好表示如果非要放棄一個的話,他只能放棄定域了,但他仍然試圖想說或許不用兩個都放棄。

其實EPR 佯謬只是證明了定域和實在不可能同時正確,並沒有證明有超光速的信號存在,這是兩個不同的概念。如果願意放棄實在性,則相對論依然是牢靠的。

量子這種糾纏態也被稱之為量子的超隱形傳輸,可以用來做通信的加密,但是不能用來做超光速的通信。更加需要強調的一點是,量子的超隱形傳輸,傳遞的是量子態,而不是能量和物質。所以應與相對論的力學、運動學都沒關聯,也稱不上超光速了!

關於引力波……這個也是愛因斯坦閒的蛋疼提出來的東東。愛因斯坦在 1916 年和 1918 年分別發表了兩篇論文預言了引力波的存在。

先說明一下引力波是什麼鬼,它是宇宙空間中的漣漪,靠著時空的捲曲在宇宙中震盪。首先我們得知道廣義相對論裡面的時空彎曲特點,也是引力的本質(引力的實質並不是一種力,只不過就是空間彎曲的外在表現)。在質量超大的物體所處的空間,會發生時空的彎曲。比如說我們的宇宙空間就好像一張張開的大網,太陽就壓在這張時空的網上,網被壓得凹陷了下去。如果太陽的質量突然變大或者突然爆炸沒了,地球是不是會突然沒受到太陽的萬有引力,馬上飛走了呢?答案是否定的。這個網就會以太陽凹下去的時空凹網會發生震盪,並以愛因斯坦命名的引力波傳遞作用給地球,根據狹義相對論所證明的,沒有什麼信號或者能量的傳遞速度能超過光速,所以這個過程也是有一段時間的,可能就那光速傳過來最快也要8分鐘……

總結……量子糾纏只是量子態的同步,並沒有和相對論運動學有衝突。引力波屬於能量波,不會比光速塊……


木子13898153


引力波是一個有趣的話題,前幾年,諾貝爾哥讓大家知道了引力波這個物理學名詞。但真正瞭解它具體含義的卻很少。至今還有人認為引力波是諾貝爾哥發現的。事實上,諾貝爾哥說的引力波根本就是他胡亂引用的一個物理學名詞。

引力波是100年前,由愛因斯坦通過廣義相對論預言的現象。在當時,愛因斯坦認為引力波可能永遠無法被探測出來,因為它實在是太微弱了。直到100年後,才由高靈敏度的LIGO裝置探測到。該研究成果也獲得了諾貝爾獎。引力波的傳播速度是光速。

自從潘建偉團隊搞出量子加密通訊衛星後,量子糾纏這一名詞也被大眾知曉。在量子糾纏系統中,對其中一個粒子進行測量,就會立即影響到另一個粒子的狀態,無論它們間隔多遠。據測量,糾纏中的量子相互影響的速度遠遠超過了光速。


不是常說“光速是宇宙的極限速度嗎”?這句話其實並不完整。完整的是:光速是這個宇宙信息傳遞的極限速度。關鍵詞是“信息”、“光速”。

量子糾纏是不會傳遞信息的,它在量子加密通訊裡的作用是產生密碼,而不是傳遞信息。信息依然走的傳統信道,例如:光纖、電纜等。

我們能夠通過引力波探測器瞭解在宇宙遙遠地方的事情。例如,LIGO系統發現的第一個引力波信號就來自於距離地球約13億光年處的,質量分別為36個與29個太陽質量黑洞的併合。引力波攜帶了黑洞合併的信息,所以,它不能超越光速。

宇宙膨脹也可以超過光速,它不傳遞任何信息,所以是相對論所允許的。

圖:宇宙膨脹示意圖。氣球的膨脹並不會在氣球表面上的兩點之間傳遞信息

綜上所述,只要不傳遞信息,超光速都是可以的。


講科學堂


先更正一下,引力波的傳播速度等於光速,並不超光速。

如果廣義相對論是正確的(雖然目前很多觀察到的現象都證明廣義相對論是正確的,跟觀察到的現象相符合,但誰也不能保證哪天有個現象就跟廣義相對論不符合。),那麼任何有質量的物體的運動都不能超過光速,只能小於或等於光速。老郭認為光也是有質量的,只是光子的質量實在是太小了,但不等於沒有。

回到正題。

量子糾纏,其實只是物理學家給兩個全同粒子在疊加態的時候起的一個名詞。簡單點說,就是兩個物理性質一樣的微觀粒子,比如質子、電子、光子,它們在空間中的運動分佈是一種概率分佈的狀態,如果這兩個粒子在空間區域中存在的概率有疊加(重合)的區域,那麼這兩個粒子就是進入到疊加態或者說是量子糾纏狀態。

這個時候,我們分不清,連個粒子誰是誰。比如,氦原子1s軌道內有兩個電子,根據泡利不相容原理,我們知道,這兩個電子的自旋方向相反,它們共用一個軌道。我們並不知道哪個電子自旋為正哪個為負。我們只有讓氦釋放出來這兩個電子的時候,才能測出來一個自旋為正另一個為負。

現實的量子糾纏應用中,一般都是通過激光,讓兩個光子形成糾纏態(疊加態)然後利用偏振片,分成兩束光,這時候,疊加態的光子自旋方向相反,利用這種現象做一些應用。

由於量子糾纏中的兩個全同粒子之間並不傳遞信息,所以量子糾纏並不超光速。

我是郭哥論道,一個致力於科普相對論、量子力學、計算機、數學,讓深奧的科學理論通俗易懂起來、讓科學更有趣、更有料的科普搬運工。耐心看完的小夥伴,留個言、點個贊加個關注再走唄。


郭哥聊科學


為什麼超光速或者說光速是一個坎,是一個瓶頸。首先相對論中對我們宇宙的描述沒有問題,同時也是非常準確的。在我們的三維時空中光速就是極限,是一個常數,同時它限制了質量,為什麼會造成這種現象,因為光速限制了我們的三維空間的時間軸。所有參數都被其限制。其實相對論不完善的地方就是沒有把時間或者說時空加進去,其實光速就是我們時空的密度常數。有了這個常數再來看質量,似乎質量越大達到光速所需的能量越大。有質量的物體看似永遠達不到光速,成為瓶頸。實際上應該還有一種物質形態,其場作用越強質量越低,甚至會成為負數。物理學上講時間是不存在的,但是我們的時空卻有著時空密度,這個密度導致了引力的產生,也影響著時間的速度。我很期待在受控核聚變試驗和研究中人類能發現新的物質狀態,在磁場中可以隔絕超高溫,也許再大點可以隔絕時空也說不定,並且還可能改變物質形態。關於黑洞是什麼,最新研究表明黑洞內部密度極低,奇點很有可能就是一個場。但是黑洞貌似質量又非常大,那麼問題來了,這麼大質量怎麼來的?首先黑洞光子不可逃逸,在場的作用下,把光子加速到超光速,自然就不可見。根據相對論講如果物體被加速到接近光速,那麼在三維宇宙中質量無限大,那麼黑洞所表現出來的質量是否就是事件視界物質的質量呢?這個問題留給天文學家解決吧!


閃光貝殼


光速絕不能超越,光是一切物質構成的基礎。宇宙中最靈動的存在就是光。其餘微觀粒子都是光的結構態,儘管速度也很快,但全部小於光速。量子的概念是錯的。光是波,它沒有粒子性,不存在光量子。電子是明確的微觀粒子,具有波粒二象性,因此可稱為量子。量子糾纏不能超越光速,目前還沒有一個科學家做過超30萬公里的糾纏實驗,證明糾纏粒子超光速。說量子糾纏超光速,不是手段計算有問題,就是物理學家美好的玄幻的想象。引力波是物理學家將大質量天體相撞產生的某個波段的光誤認為是引力存在的證明。這一所謂的成果獲諾獎,只會讓物理學陷入更深的迷茫!


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