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重新评估量子力学中的守恒定律

科学探索万象经验2023-10-19

守恒定律是指在一个孤立的物理系统中,某些量或性质不随时间变化,而保持不变的规律。例如,能量守恒、动量守恒和电荷守恒等。守恒律是我们理解自然界的重要法则,因为它们决定了什么样的过程是可能或不可能发生的。

但是,当我们看到量子力学的世界时,事情就变得更有趣了。在量子力学中,守恒定律可以从物理系统的对称性等原理推导出来。量子力学拥有一系列的守恒律,有些是经典力学的对应物,有些则是独特于量子力学的。

最近发表在《美国国家科学院院刊》的一篇论文指出,尽管量子力学在解释众多现象方面取得了惊人的成功,但它仍然难以深刻、直观地把握其潜在的原理。用论文作者自己的话说,“尽管量子力学已经存在了很长时间,但微观粒子的反直觉行为让我普遍接受了一个事实:深刻、直观地理解仍然是难以捉摸的。不断发现令人惊讶和矛盾的效应强化了我实现这种理解的需求。”

为了做到这一点,研究人员设计了一个思想实验。这个思想实验涉及两个角色,Alice和Bob,他们各自坐在一个有轮子的椅子上,面对面地放置。这些椅子在地板上滑动得很优雅,几乎没有摩擦力,为探索量子领域中的守恒律奠定了舞台。

假设Alice和Bob之间有一个弹簧连接着他们各自手中持有的小球。当他们把球拉开一定距离后,他们同时放开球,并开始滑动。根据牛顿第三定律,Alice和Bob会以相同但相反方向的速度滑动,并且他们两人加起来的总动量保持不变。这就是经典力学中的动量守恒。

但是,如果我们把这个实验变成一个量子实验,情况就不一样了。假设Alice和Bob之间有一个纠缠的光子对,而不是一个弹簧。纠缠是一种奇特的量子现象,它使得两个或多个粒子之间存在一种超越空间和时间的联系,即使它们相隔很远,也能彼此影响。

假设Alice和Bob各自有一个偏振器,可以测量光子的偏振状态。当Alice和Bob把他们的偏振器调整到相同的角度时,他们会发现他们测量到的光子总是具有相反的偏振状态。这就是纠缠的效果,它使得两个光子之间存在一种隐含的关联。

现在,让我们看看这个实验中的动量守恒。当Alice和Bob测量他们各自的光子时,他们会发现他们的椅子开始滑动。这是因为测量会改变光子的动量,从而对Alice和Bob产生一个反冲力。但是,这个反冲力并不总是相等且相反的,因为Alice和Bob可以任意选择他们的偏振器角度。