朱清时:试读李政道的遗言

文摘   2024-10-20 14:47   江苏  



试读李政道的遗言

朱清时


伟大的美籍华人物理学家李政道去世了。在2024年08月15日的 中国新闻周刊上,发表了李政道在生命的最后时刻留下的一句话:“我永远会是你的一部分,你永远会是我的一部分。”这句遗言表达了这位最早研究量子纠缠的权威科学家的世界观。

李政道与量子纠缠

首先梳理一下粒子物理中量子纠缠的历史起源。1949年吴健雄和萨克诺夫的实验实现了爱因斯坦-波多尔斯基-罗森关联。事实上,这是历史上第一次在实验中明确实现空间分离的量子纠缠。1964年贝尔不等式发表后,人们考虑,它是否可以通过吴-萨克诺夫实验检验。这推动了该领域的发展,吴健雄小组也做了新的实验。1957年,李政道、厄梅和杨振宁确立了中性K介子的量子力学形式,发现它是一个双态系统。1958年,基于与杨振宁1949年选择定则类似的方法,戈德哈贝尔、李政道和杨振宁最早写下K介子对的纠缠态,其中单个K介子基矢态可以带电,也可以中性。这首次给出光子以外的高能粒子的内部自由度纠缠。1960年,作为没有发表的工作,李政道和杨振宁又讨论了中性K介子对的纠缠态。本文也顺便介绍了几位物理学家,特别是沃德。(墨子沙龙 ,2023-03-26施郁《粒子物理中量子纠缠的历史起源:吴健雄、杨振宁、李政道以及其他先驱

什么是量子纠缠? 

1935年,爱因斯坦(Albert Einstein)、波多尔斯基(Boris Podolsky)和罗森(Nathan Rosen)在论文中描述了一个量子纠缠的思想实验:考虑π介子衰变,产生具有相反的自旋并相互远离的一个电子和一个正电子。按照量子力学,它们之中每个粒子的自旋在被测量之前都是既向上又向下的。如果测得电子的自旋是向上的,那么正电子的自旋瞬间坍缩成向下,即使两个粒子之间相距数十亿英里也如此。 

量子纠缠不需要传递信息。否则在测得电子自旋向上之后,若要把这个信息传给正电子才能使它选择自旋向下,就需要在两个粒子之间有着某种比光速更快的方式相互通信。这与狭义相对论禁止超光速通信冲突。

量子纠缠已经被实验证明是真实存在的。物体可以在很远的距离上相互关联,这是量子力学测量原理和叠加原理联合所导致的,之前的物理学无法解释。这种远距离测量的相互关联,并不需要以超过光速的速度在粒子之间传递信息。

2022年的诺贝尔物理学奖,授予法国科学家Alain Aspect、美国科学家John F.Clauser和奥地利科学家Anton Zeilinger,表彰他们共同成功进行的纠缠光子实验。

叠加原理与量子纠缠


量子纠缠并不神秘,只要有量子力学的测量原理和叠加原理,就一定会出现纠缠现象。

量子力学的叠加原理说:如果一个体系有两个可能的状态,那么它们的任何线性叠加也是这个体系的可能状态。

对于只有一个粒子的体系,叠加原理容易理解。对于包含多个粒子的体系,叠加原理会产生纠缠现象(参考袁岚峰著《量子信息简话》,中国科技大学出版社,2021)。

举例来说,如果一朵玫瑰有红色和白色两个基本状态,那么两朵玫瑰就有2x2=4个基本状态:A、B都红(红红);A、B都白(白白);A红B白(红白);A白B红(白红),并且这四个状态的任何线性叠加也是这个体系可以取到的状态。

考虑“红红”和“白白”这两个状态的权重相等的叠加态,用狄拉克符号表示,就是l红红)+l白白)/ √2。依照量子力学的测量原理对这个态进行测量,结果就会是:对于玫瑰A,有一半的几率发现它是红色,一半的概率发现它是白色;对于玫瑰B,结果也同样。而且惊人的是:如果发现A是红玫瑰,那么B也是红玫瑰;如果发现A是白玫瑰,那么B也是白玫瑰。

由此可见,虽然各个粒子的测量结果各自都是随机的,但是这些随机数之间存在关联,出现了纠缠现象。


量子纠缠与人生


如果我们有两颗处于量子纠缠状态的粒子,它们一颗绿色,一颗红色,且某一颗变色后另外一颗就会同时瞬间变色。把这两颗粒子中的一颗(A2)送去火星,另外一颗(A1)放在你的大脑中。火星上的粒子(A2)发生状态改变,比如从红色变绿色时。你大脑中的粒子(A1)就会瞬间感应到这种变化,从绿色变成红色。火星上的粒子(A2)变回红色时,大脑中的粒子(A1)又瞬间变成绿色。反之亦然。


在宇宙的演化过程中(例如大爆炸),产生的粒子可能都有类似的纠缠粒子经历,这些纠缠粒子分散到整个宇宙,甚至平行宇宙。因而可能出现:你的身体由A1型粒子组成,而在现实宇宙中的某个遥远的地方,甚至在另一个平行宇宙,你的分身是由A2型粒子组成,那么你与这个分身之间就存在这种纠缠。你们的一切,一言一行,都相互关联。只不过你自己通常没有意识到而已。


甚至在你死后,“灰飞烟灭”,虽然这些灰烬(曾经在你身上的A1粒子)已四散分离,然而它们与宇宙中的A2粒子的量子纠缠仍然存在。 


我想,这可能是李政道遗言所说的“我永远会是你的一部分,你永远会是我的一部分”的物理学解读。




转载自:南怀瑾学术研究会


四十六日
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