09 神奇的纠缠

本期节目依然有点烧脑，特附上音频逐字稿，便于大家视听结合，加深理解。

————这依然是一根前方高能预警分割线————

宇宙很大，生活更大！喜马拉雅的朋友，您好，我是北京天文馆的齐锐，欢迎收听《齐说三体》。

在上一集里，我们说到三体人在制造智子的时候，利用了高维空间的概念，聊了聊这背后的科学知识——弦理论。

其实啊，在《三体》小说里，智子不但是从第一章到最后一章，唯一一个贯穿始终的角色，而且呢，跟它有关的科学话题，也是最多的。比方说上次说的弦理论，其实还有人工智能，甚至还跟宇宙中外星文明是否存在都有关系，这些我以后都会聊到。

我们在策划“齐说三体”这个节目的时候，就想着做成一档面向大众的音频科普节目，希望不同年龄段的普通听众都能听懂其中的原理，所以我打算尽量少使用专业术语，在不违反科学原理的基础上，争取不涉及理论公式。有人说对音频科普节目来说，公式的数量和听众的多少成反比，我觉得这是有道理的。

好啦，从这一集开始，我来聊聊跟智子有关的另一门既神奇、又很有用的科学，那就是量子力学。这次先说说它的神奇之处。

在《三体》的第一部，标题为“智子”的那一章里，出现最多的词，恐怕就是量子了。什么量子效应、量子感应、量子阵列等等。在我看过的科幻小说里，把量子力学概念直接用在小说里的，大刘的《三体》还真是独一份。在小说里，这些都是发明智子必不可少的科学依据。不过，读到这些概念，不知道您是不是有云里雾里的感觉呢？如果您有这种感觉的话，那么不妨集中注意力听我往下说，也许呀能解开您的一些疑惑。

量子力学从它的理论出现，到现在，几乎正好是一百年的时间。在这一个世纪里，量子力学已经完全改变了我们身边的世界。这些改变都有哪些呢，我们下一集再聊。

今天我就先结合智子在地球和三体星之间，能够进行瞬时通信这个情节，说说它在量子力学里面的一个梗——量子纠缠。

先说明一点，在一开始的时候，量子力学研究的都是很小的物质粒子，例如原子和亚原子粒子，亚原子粒子就是那些比原子还要小的粒子，例如质子、中子、电子、光子等等。我们统一把它们简称为粒子。

接下来，要说到量子力学的一个重要的概念——波粒二象性，简单的说就是，任何微观粒子既是一个粒子，也是一个扩散开的波。举例来说，当我们平时说到一个电子的时候，一般是把它想象成一个很小很小的粒子的样子，在某个时刻，出现在某个位置上。对吧？

不过在量子力学看来，就不是这样了，一个电子可能出现在空间中的任何一个位置，只是在每个位置上出现的可能性不一样，也就是概率不同。这些概率，用波函数来表示。把这个电子的在整个空间中出现的各种可能性叠加在一起，就形成一团模糊的云，这团云就是这个电子在空间中的所有概率波函数的叠加态。当我们去观察这个电子的时候，你会发现它出现在云团的中心处的可能性最大，越往外，可能性就越小。

因此通俗地说，对于一个粒子，说它处在某个位置，其实并不准确，实际上，我们只能说，你会以多大的可能性在某个位置上，观察到它。

打个比方，就拿你身体上的一个电子来说，在观察它之前，它的位置其实并不确定，它以百分之99.99999，很多个九，的可能性在你的身体上，但是仍然有百分之0.000000，很多个零之后有一个1，的可能性，位于遥远的火星上，因为那个概率波的云团已经覆盖到了火星。

上面说的这些虽然是形象的比喻，但却也并非科幻，它是量子力学所揭示的物质世界的真相，怎么样，您感受到量子力学的神奇之处了吗？

总结一下，一个粒子是一系列波函数的叠加，它的表现不是一个粒子，而是一团模糊的云。听到这里，您肯定有疑问，当我们观察一个粒子的时候，看到的就是一个粒子啊，我们从来没见过什么云团啊，这是怎么回事呢？您说的没错，这牵扯到量子力学里，更神奇的互补原理了。您别着急，听我慢慢说。

量子力学说，对于一个粒子，你不去观察它，它的状态是不确定的，是以概率云的叠加态方式存在。而当你观察的时候，它立刻表现为一个粒子，各种状态都确定下来。换句话说，我们的观察会让粒子从波函数的叠加态，坍缩到粒子的普通状态。这说明，观测本身，可以影响被观测的对象！

这可谓是量子力学最让人惊异的地方了。量子力学所描述的微观世界，与我们熟悉的经典物理所描述的宏观世界，竟然有着这么大的差异，实在是让人困惑。就连爱因斯坦都觉得没法接受。

提出互补原理，并做出这些惊世骇俗解释的，是量子力学研究的中坚力量，以丹麦物理学家玻尔为首的，著名的哥本哈根学派。他们对于量子力学各种现象的解释，叫做哥本哈根解释，被物理学界认为是最正宗的解释。

电子的状态有很多种，比方说它的自旋就是一种。在不去观察它的时候，电子的自旋方向可以是多种的，打个形象的比喻，有可能是顺时针，也有可能是逆时针。而当你一观察它，它的自旋状态就确定下来，要么是顺时针，要么是逆时针。

好了，有了这些基础，我们再来看量子纠缠是怎么回事。量子纠缠，可以说是量子力学最核心的理论之一。

在把几个粒子进行作用之后，它们之间就可能相互纠缠起来。对于相互纠缠的粒子，它们的某些行为是相互关联的。还以电子的自旋为例，假如当一个电子的自旋方向是顺时针，那么和它纠缠的另一个电子的自旋方向，就一定是与此相反，也就是逆时针的，反之亦然。这就是量子纠缠现象。

对于处于纠缠态的两个电子，如果我们不去观察，它们的自旋状态都处于不确定的叠加态。一旦我们观察其中的一个，它的自旋方向确定了，例如是顺时针，那么，就在这个瞬间，跟它纠缠的另一个粒子，状态也同时确定下来，而且一定是与前者相反，是逆时针的。

无论这两个纠缠的粒子之间相距有多远，哪怕在观察它们之前，一个在地球上，另一个在几百亿光年之外的宇宙尽头，只要我们观察其中的一个，确定了它的状态，那么另一个粒子，状态也在瞬间确定下来，这期间完全没有任何时间延迟。这就是所谓的量子状态的瞬时传输。

这个理论一提出，让传统物理学界万分震惊，宇宙中竟然有超光速的瞬时情况。爱因斯坦表示无法理解，甚至在1935年发表论文来批驳它，讥讽量子纠缠是鬼魅般的超距作用。但是，多年来，量子纠缠这一理论经受住了各种实验的反复验证，证明它的确是真实存在的。

量子纠缠是真正的远距作用，到目前为止都一直困扰着物理学家。杜克大学的伯恩特·米勒认为，量子世界也许具有看不见的另一个维度，通过这个更高的维度，表面上看起来在空间上隔开很远的物体之间，可以进行相互作用，就好像它们并排挨在一起一样。空间距离对它们来说是不存在的。这个概念可以参考我上一集的内容。

现在，量子纠缠已经应用到实际通信中。2020年6月中国科学院宣布，我国的墨子号科学试验卫星，在世界上首次实现，在相距上千公里的两处之间，瞬间完成了光量子密钥的分发实验。

《三体》小说里面的智子，之所以能够把地球的信息瞬间传回给4光年外的三体人，大刘所利用的，就是上面所说的量子纠缠。

原来，智子之间都是相互纠缠的，当一个智子来到地球，时刻监视人类，它通过量子纠缠的瞬时传输效应，把监视到的情况，瞬时同步给在三体星上的另一个和它纠缠的智子，这相当于是实况直播一样，还没有时间的延迟。您说，大刘的这个创意是不是真的很棒？

不过，科幻毕竟还不完全等于科学。实际上，目前基于量子纠缠的量子通信，瞬时传输的只是量子的状态，并不能把有用的信息从一个地方，瞬时传递到另一地。接收方还需要通过在光速限制下的传统信息通道，收到必要的其他信息之后，才能对纠缠的状态进行翻译和解码。因此，从整体上看，在两地间传递信息，还是不能超过光速。

不过，从原理上看，利用量子纠缠，在不超过光速的情况下，应该可以实现基本粒子状态的复制和传输。畅想一下，既然我们人体都是由基本粒子组成的，那么未来也许有一天，我们可以发明一种技术，像传真机那样，把组成一个人的每一个粒子，完整地复制到另一个地方去，这不就能实现对人的远距离、快速传输了吗？

好了，有关智子和神奇的量子力学的话题，我们就先说到这，下次我们继续聊。

我是北京天文馆的齐锐，这里是齐说三体。咱们下集再见。