量子力学：量子纠缠到底纠缠什么？怎么缠？简单解释给你听

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大家好，我是舒宜昂。今天我们来聊一聊量子力学。（文章最后有我个人对文章重点的总结，赶时间的话可以直接跳到最后面看总结。）

量子力学可谓是当今科学界最主要的研究内容了，如果我们有能完全了解并运用到生活中。那么我们的世界都将会发生巨大的改变。然而量子力学的研究，科学家们也都还只是在路上。量子力学有太多和我们常识不一样的地方了，毕竟连理解量子力学的内容都需要花费一番功夫，所以这条路也还很漫长。

因为我们是生活在一个宏观世界，无论是常识、常理，还是我们的切身体会都是宏观下的认知和反应。几乎通过经典力学和经典电动力学等旧有理论就可以解释我们日常生活的各种事情。然而当科学家开始探究微观世界的时候，却发现了宏观世界的旧有理论大部分不适用，于是在一大批物理学家（爱因斯坦、普朗克、薛定谔、海森堡等）共同努力下，量子力学被创立。

到底什么是量子力学呢？让我来介绍一下。量子力学主要研究原子、分子和凝聚态物质，以及原子核和基本粒子结构、性质，是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支。它和相对论一起构成现代物理学的理论基础。除了物理学领域，量子力学在化学等其他学科与技术中，也被广泛应用。

量子力学的创立，拉开了微观世界的大门。不但改变了人们对物质结构的认知，还改变对各种粒子之间互相作用的认知。许多看似违反常理的事情，在量子力学下也就解释得通了。甚至还通过量子力学预言了新的、无法想象出来的现象，并在后来的实验中证明确实存在。还形成了量子场论，这是结合了经典场论、狭义相对论和量子力学的物理理论，除广义相对论中引力外的其他所有物理基本互相作用，都可以在这个理论中描述。

在本人前一篇文章为大家介绍了薛定谔的猫，相信大家通过文章就已经体会到量子力学的“魅力”了。薛定谔的猫其实说的就是微观粒子的不确定性，也就是波动性。只有当我们去观察的时候，我们才能让结果坍塌为我们看到的。不然各种可能性是共存的，而不是我们所常识所理解的，他在那里就是在那里，就算你不观察也在那里。这个不确定就已经是对我们宏观常识的挑战了。那再来聊一聊量子纠缠吧。

科学家所拍第一张量子纠缠图像

量子纠缠又称量子缠结（这一段将会非常枯燥并且有可能看不懂，大家可以大概看一下，或者跳过这段，看我后面举的例子），是说当几个粒子互相作用后，各个粒子的特性被结合为这几个粒子的整体性质，从而它们再也无法单独显现各自的特性，都是统一表现为结合后的整体性质。

量子纠缠的假设实验是这样的，假设一个零自旋中性π介子衰变成一个电子与一个正电子。这两个衰变产物各自朝着相反方向移动，电子移动到区域A，在那里的观察者“爱丽丝”会观测电子沿着某特定轴向的自旋；正电子移动到区域B，在那里的观察者“鲍勃”也会观测正电子沿着同样轴向的自旋。

在测量之前，这两个纠缠粒子共同形成了零自旋的纠缠态，是两个直积态的叠加。电子的自旋有可能是上旋，正电子则为下旋。也有可能两者反过来，电子下旋正电子上旋。这两种情况是叠加在一起的。只有当观察者“爱丽丝”或者“鲍勃”去观测的时候，才知道两个粒子的自旋情况（这里就是薛定谔的猫，观测才坍塌结果）。

因为两个粒子互相纠缠互相联系，所以当我们只观测其中一个的自旋情况，就可以马上得知另一个的情况。这种纠缠的情况是和空间关系不大的，即使是两个电子分隔非常远，仍会有这样的关系。

让我从宏观的角度来举个例子。我是只会唱歌的人，而另一个人是只会跳舞的人，我们两个人组成了一个乐队。然而在组团之后，我们两个人互相学习，学会了对方的技能，也就是说我们两人现在都会唱跳，并且两人的技能水平也都是一样的。但当我们两个演出的时候，永远只有一个人唱一个人跳。

在你们还没看到我们演出之前，大家是不知道今天是谁唱歌是谁跳舞的。即使是当我们两个无法出门，不在一起，各自在家里直播为大家表演，我们仍然还是一个唱歌，一个人跳舞。所以当你看到我们其中的一个人的时候，就可以知道另一个人表演什么了。当然这个从宏观的例子无法完全准确的表达，还是需要大家自己再理解一下。

量子纠缠是一种物理资源，就好像时间、能量等，可以萃取与转化，所以在量子信息学上有广泛的应用。就单单一个量子纠缠都已经可以被应用了，何况整个量子力学呢。以上只是为大家简单介绍了一下，量子力学中最基础的东西。深入下去，还有更为复杂难懂的内容，这里就不展开了。有兴趣的也可以自己再了解了解，不然无需深究。

个人觉得是重点的总结：

1. 量子力学若被应用于日常，那我们的生活将发生翻天覆地的变化，不过前路漫长。

2. 因为发现探究微观时间时，旧有理论不适用。科学家们才一同创立了量子力学。

3. 量子力学主要研究原子、分子和凝聚态物质，以及原子核和基本粒子结构、性质，是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支。它和相对论一起构成现代物理学的理论基础。除了物理学领域，量子力学在化学等其他学科与技术中，也被广泛应用。

4. 量子力学改变了人们对物质结构的认知，还改变对各种粒子之间互相作用的认知。还解释了很多看似违背常规的东西。

5. 量子力学结合了经典场论、狭义相对论和量子力学形成了量子场论。除广义相对论中引力外的其他所有物理基本互相作用，都可以在这个理论中描述。

6. 量子纠缠又称量子缠结，是说当几个粒子互相作用后，各个粒子的特性被结合为这几个粒子的整体性质，从而它们再也无法单独显现各自的特性，都是统一表现为结合后的整体性质。

7. 宏观角度解释量子纠缠。我是只会唱歌的人，而另一个人是只会跳舞的人，我们两个人组成了一个乐队。然而在组团之后，我们两个人互相学习，学会了对方的技能，也就是说我们两人现在都会唱跳，并且两人的技能水平也都是一样的。但当我们两个演出的时候，永远只有一个人唱一个人跳。在你们还没看到我们演出之前，大家是不知道今天是谁唱歌是谁跳舞的。即使是当我们两个无法出门，不在一起，各自在家里直播为大家表演，我们仍然还是一个唱歌，一个人跳舞。所以当你看到我们中的一个人的时候，就可以知道另一个人表演什么了。当然这个从宏观的例子无法完全准确的表达，还是需要大家自己再理解一下。

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