(接上)
量子力学理论最核心的问题是,代表同时性的叠加态迷雾和代表不确定性的电子云。上文的论证中,彻底地挥散了这一团迷雾;虽然,还有一朵云。但是,随叠加态迷雾的消散,已有很多的推论,可以顺势得出,这里暂不展开;也有很多量子的神秘传说,自然而然地答案浮现,比如:所谓的量子纠缠。
4. 量子纠缠
4.1 概念
同样,作者也不甚明了此词的准确定义;只能就自己的理解,进行解读。自以为广义的纠缠,应是有相对稳定的某种运动上的对应关系就行。比如,激光,就应是最早发现并应用的呈同振性纠缠态的光子。狭义上的量子纠缠,大概就只是所谓的自旋方向正好互补,或光的偏振正好水平、垂直互补。
好比,一对同卵双胞胎,动作完全一致地跳同一曲新疆舞;其肩并肩,面对观众跳时,其舞动被说是激光;其面对面,互为转体180度跳时,其舞动非要说是纠缠。
所谓的量子叠加态解释清楚后,对此狭义上的量子纠缠的现象,可简单解释为:即两个绕各自自转轴稳定旋转的刚体,被观测到,在至少一个或全部三个转动方向上互补;从而被称作部分或完全纠缠。
下文,针对自己理解的所谓纠缠,略微展开;通过太空扳手,来简单解释。
4.2 解释
笔者认为,至少有两种狭义上的量子纠缠,分别称其为自由纠缠和约束纠缠。当然,还有人为在实验室制造出来的各种纠缠,因原理相似,不予解释。
4.2.1自由纠缠
自由纠缠,本人定义为无相互作用的纠缠;根据其运动特征,又分为两种;分别是同向反相和反向同相。
一.同向反相:
同向反相,即无论是什么原因,导致两个外形一致或相似的刚体,具有完全一样大小和方向的、绕通过各自质心的坐标轴的自转;但每个对应的转动,相位正好相差180度;即,在三维空间,此两刚体坐标轴平行,但对应坐标轴正好反向,互为转体180度;且此两刚体无相互作用,则称之为同向反相的自由纠缠。
还是借神奇的太空扳手的指引,来模拟所谓量子纠缠,举例如下:
假设,你在空间站内,有一支金属风暴的枪;共10 X 10 = 100根枪管,每根枪管,为线膛管,且装弹10发;每发子弹,其外形均与图3所示的T型扳手,一摸一样。
你打开舷窗,对外一枪,则有1000发此T型扳手般的子弹旋转着飞出,绕地球轨道运行;由此,根据太空扳手现象,每发子弹在绕轨飞行的同时,还具有至少两个复合在一起的转动;如图3(a)所示的弹***,分别是绕过其质心的X轴的自转ω1,及绕Y轴的来回掉头的转动ω2。(注:为方便解释,此处忽略第三个转动。)
由于公差范围内,所有的子弹外形一致、质量相等;所以,它们相对于各自自转轴的质量分布的差异很小;于是,它们所有的自转速度,在一个变化值不大的范围内。
你坐上飞碟绕轨伴飞,发现其中正好有两颗子弹,分别为弹***、弹B;如图3(a)所示,它们各自的、自转轴的坐标系分别是XYZ和X'Y'Z',对应的绕X、Y轴和X'、Y'轴的旋转速度分别为ω1、ω2和ω1'、ω2'。
在图3(a)中,ω1、ω1'均为右旋,即,右手大拇指、分别指向对应的X轴和X'轴的正方向,其余四指所指的方向。
作为巧合的随机事件,它们的ω1 = ω1'且ω2 = ω2',即,它们自转的速度大小、方向完全相等;则对应的频率、周期也均相等;设,它们绕Y轴、Y'轴旋转的周期都是T,NT代表周期的正整数倍。
但ω2与ω2'又相位正好相差180度,即,它们互为对方的转体180;也即,当弹***的头在前时,弹B的尾在前;反之亦然。设, NT + T/2代表在NT的时间后再转180度、半个周期后的时刻;
你的坐标系是X*Y*Z*,你看到的弹***绕X轴的旋转速度为W1,弹B绕X'轴的旋转速度为W1';由于ω2与ω2'相位相差180度,所以,在你眼里,弹***与弹B,总是头对头如图3(a),或总是尾对尾如图3(b)。
如图3(a)所示,当t = NT时,W1 = ω1,但是W1' = –ω1';即,在作为观测者你的眼中,弹***绕X轴的自旋是右旋,但是弹B绕X'轴的自旋是左旋;这是你的潜意识中,把X*轴等同于X'轴;没意识到X'轴是随弹B一起转动,并与X*轴已反向,所以W1' = –ω1';只不过此时,X轴与X*轴同向,所以W1 = ω1。
同理,如图3(b)所示,当t = NT + T/2时,W1 = –ω1,但是W1' = ω1';即,在作为观测者你的眼中,弹***绕X轴的自旋变成左旋,弹B绕X'轴的自旋变成右旋;这时,是你把X*轴等同于X轴;没意识到X轴是随弹***一起转动,并与X*轴已反向,所以W1 = –ω1;而此时,X'轴与X*轴同向,所以W1' = ω1'。
于是,在你的眼中,弹***与弹B在各自不断交替左旋、右旋地绕X*轴自转的同时,保持两者的自旋方向、正好完全相反的纠缠态。
请注意:
1)此时,弹***与弹B的绕各自自转轴的速度依然不变,即ω1 = ω1';你认为的其自旋保持相反,即W1 = -W1',是没认识到其自转轴所在坐标系的旋转。
2)弹***与弹B的纠缠态,是随机发生的;是双方的形状和质量分布几乎一致的固有属性的内因决定,在相同外界条件下,自由空间内的巧合事件。
3)弹***与弹B之间,不存在任何相互作用力;即,不存在任何隐变量,也就不需要任何局域性存在。但弹***与弹B的各自运动,都是确定的、实在的,完全符合牛顿经典力学的。
4)在不受任何外力的前提下,弹***与弹B将遵循惯性定律,一直保持原有运动模式;即,观测者认为的在各自交替自旋方向中,又保持两者的ω1与ω1'自旋方向互补。
也即,如果你用反重力设备,屏蔽掉弹***的地球吸引力;则,弹***在飞往太阳系深空的同时,在保持惯性中,依然、永远地保持与仍在地球轨道的弹B的被观测到的自旋W1与W1'相反中、不断交替掉头中、被观测者认为交替左、右旋。
因此,任何时候,测定弹B的自旋ω1'(W1'),就知道同一时刻的、已飞走的弹***的自旋ω1(W1)。
它们之间,从一开始,就没有任何联系,也从不需要任何联系,自然也就不存在可超越什么距离的、瞬时的相互联系或作用。
5)由于两者纠缠态的自转,完全由其各自的转动惯量决定,因此,这是最稳定的一种纠缠态。
当弹***和弹B不是扳手形子弹,而是量子时;这就是所谓量子纠缠的物理本质,无任何神秘、超距作用。
二.反向同相
即无论是什么原因,导致两个外形一致或相似的刚体,具有绕通过各自质心的坐标轴自转的同时;每个对应的转动,大小相等但方向相反;而两者在三维空间中,其姿态的相位差为零,即,两者的坐标系完全平行、对应坐标轴的正方向同向;且此两刚体无相互作用,则称之为反向同相的自由纠缠。
还是以上述子弹为例;假设,此金属风暴枪的枪管,一半是左旋的线膛,一半是右旋的线膛;则,对外一枪后,根据太空扳手现象,每发子弹在绕轨飞行的同时,还具有至少两个复合在一起的转动;如图3.1(a)所示的弹C,分别是绕过其质心的X轴的自转ω1,及绕Y轴的来回掉头的转动ω2。(注:为方便解释,此处忽略第三个转动。)
还是你坐上飞碟绕轨伴飞,发现其中正好有两颗子弹,分别为弹C、弹D;如图3.1(a)所示,它们各自的、自转轴的坐标系分别是XYZ和X'Y'Z',对应的绕X、Y轴和X'、Y'轴的旋转速度分别为ω1、ω2和ω1'、ω2'。
由于线膛管旋向相反,它们的ω1 = –ω1'且ω2 = –ω2',即,它们自转的速度大小相等,但方向完全相反;则对应的频率、周期也均相等;
设,它们绕Y轴、Y'轴旋转的周期都是T,NT代表周期的正整数倍;NT + T/2代表在NT的时间后再转180度、半个周期后的时刻。
你的坐标系是X*Y*Z*,你看到的它们的姿态的相位正好相同,即两者的坐标系完全平行且同向、相位差为零;也即,当弹C的头在前时,弹D的头也在前;反之亦然。你看到的弹C绕X轴的旋转速度为W1,弹D绕X'轴的旋转速度为W1'。
如图3.1(a),当t = NT时,弹C的ω1为右旋,对应的弹D的ω1'为左旋;由于此时,弹C的X轴与弹D的X'轴,与你的坐标轴X*同向;你看到的W1= ω1为右旋,W1'= ω1'为左旋;即,两者反向;
同理,如图3.1(b)所示,当t = NT + T/2时,弹C的ω1为右旋,对应的弹D的ω1'为左旋,仍然不变;但,由于此时,弹C的X轴与弹D的X'轴,与你的坐标轴X*反向;你看到的W1= –ω1为左旋,W1'= –ω1'为右旋;即,两者还是反向;
同上例的解释,这都是,你把X*轴等同于X轴和X'轴,没意识到X轴和X'轴,是随弹C与弹D一起转动;所以,你看到的转向,一半是其真实转向,一半正好相反。
而由于,弹C与弹D本来就自转方向互补;于是,在你的眼中,弹C与弹D在各自不断交替左旋、右旋地绕X*轴自转的同时,保持两者的自旋方向、正好完全相反的纠缠态。
其它的解释,同上例对图3的解释,不再累述。
三.孪生纠缠
这是同向反相的自由纠缠中的一种;之所以要特别解释,是因为其纠缠的物理机理,不是随机事件,而是必然事件;且,可以清晰地认识坐标系变化。
它是一个可被视为整体、且可忽略转动的粒子,分裂成两个质量、形状完全一样的更小粒子,而此两粒子具有,至少一个或全部三个转动方向上互补;从而被称作部分或完全自由纠缠。
如图3.2(a),观测者的坐标系是X*Y*Z*;粒子M,是***、B两部分构成的整体,其坐标系为XYZ;由于未知原因,其***、B两部分分开,而***、B两部分的质量、形状完全一样;因而在动量守恒的原则下,它们所有的平动、转动完全互补,如图3.2(b)所示。
如图3.2(b),分裂后,粒子M的坐标系XYZ,同样分裂成***、B两部分各自的坐标系;其中***的坐标系为XaYaZa,B的坐标系为XbYbZb;注意:它们的坐标系,也必须遵循动量守恒原理,即完全平行、但方向相反;
所以,如果B的坐标系为XbYbZb,继承了M的坐标系XYZ的正方向;则,***的坐标系为XaYaZa,就继承了M的坐标系XYZ的负方向;因此,注意,观测者眼中的、它们所有的平动、转动完全互补,并不是它们自身坐标系中的方向。
观测者眼中的Va、Vb是反方向,但在***、B两部分自身的坐标系中,均为各自正方向的同向;观测者眼中的ω1、ω2、ω3和ω1'、ω2'、ω3'是分别对应的反方向,但用分别指向其坐标轴正方向的左、右手大拇指判断,均为同向转动,只是因为坐标轴反向而相位相差180度。
例如图3.2(b),ω1 = ω1'分别绕Xa、Xb同为左旋,ω2 = ω2'分别绕Ya、Yb同为右旋,ω3 = ω3'分别绕Za、Zb同为右旋。
这就是,非随机事件的必然事件中自由纠缠的物理本质。它们的纠缠态,是由遵循动量守恒原则后,自身结构、形状和质量分布完全一样的转动惯量相等的自身属性所决定,无需也没有任何隐变量,不必也不存在任何超距作用。
4.2.2 约束纠缠
顾名思义,这是被观察者认为处于纠缠态的两个量子,在一段时间、或一定距离内,存在持续的相互作用;也即,是在相互约束中产生的一种纠缠态。与上文的自由纠缠不同,其典型的例子,应是一对光子的水平、垂直偏振态的纠缠。
由于本文结构,光子将在后文中详细阐述,故此处不展开讨论光子纠缠;只简要说明几点如下:
1)如同自由纠缠一样,一对水平、垂直偏振态交替的纠缠光子,其转动也是符合牛顿经典力学,具备确定性、实在性。
2)一对水平、垂直偏振态交替的纠缠光子,是通过各自的电磁力相互作用,因而存在隐变量;但同时,也因是电磁力,而存在局域性。
3)一旦双方的距离,超过相应的电磁作用距离,立刻不存在任何相互作用;则此时,只遵循惯性定律;其纠缠时,具有的转动姿态和速度的大小、方向,是各自的电磁力,以及各自具有的产生转动力矩的转动惯量,所共同作用的结果;
当相互作用的电磁力不存在时,只剩下其自有的转动惯量属性;因而,在有短时保持原有运动的同时,将逐渐体现出,由其自身固有的、转动惯量属性所决定的、转动姿态和速度的大小、方向;
(注:因为加速度乘以时间,才是速度的改变量;所以,需要一个短暂时间,角加速度的改变,才会让角速度发生显著变化,才会彻底消除纠缠态。)
所以,这种纠缠态是不稳定的;但由于光速极快,假设,从有电磁力相互作用下的运动状态,过渡到,只有自身转动惯量属性、所决定的运动状态,只需1秒;则,一对纠缠光子,对应的、分开后、还能保持纠缠态的距离,理论上可到30万公里。
所以,讨论和比拼维持纠缠态的距离,有意义么?
请注意,一旦超过光子自身电磁力的作用距离,比如1厘米或1米;则,超出局域性后,不再存在任何隐变量。其被观测到的、短时能纠缠的原理,参见上文的自由纠缠。
自此,已完全解决了所谓量子叠加态,及高度关联的所谓量子纠缠;按本文开篇所述的从***点、太空扳手,到B点、量子的***B段曲线连线,已成功实现。按理,可以直接向本文的核心主题进发;但在太空扳手的指引下,环顾量子世界,本文将再挑战下,对电子云的理论猜想。
(未带完续)
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