[所有嘢都係量子系列] 超遠距離嘅鬼魅效應?愛因斯坦都有錯嘅時候…(Spooky Action at a Distance? Einstein can also be Wrong Sometimes…)

愛因斯坦(Albert Einstein)最為人所熟識嘅唔使講梗係佢嘅相對論啦!但其實佢對現代物理學另一個重要基本支柱—量子力學(quantum mechanics)嘅貢獻都唔少架!佢攞諾貝爾獎都係因為佢關於光電效應(photoelectric effect)嘅論文,相對論反而因為走得太前,太「極端」[adore] [adore],當時尚未有太多嚴謹實驗證明個理論真確(尤其廣義相對論,當中嘅引力波仲要到舊年先被證實),同或者基於學術界嘅黑暗同其他政治上嘅考慮所以冇獲獎[3]。

雖然因為量子力學攞到諾貝爾獎,但愛因斯坦一生都對量子力學抱有一定懷疑,認為佢係一個未完善唔完整嘅理論。始終一直以來物理學界都相信世界係確定性(deterministic)嘅,即使愛因斯坦嘅相對論都係,突然間要接受一個完全顛覆呢個傳統概念嘅理論的確唔易。始終佢唔係淨係FF嘅 X登仔,佢係一個科學家,相信「超乎尋常的宣稱,需要超乎尋常的証據。」“Extraordinary claims require extraordinary evidence” 卡爾薩根(Carl Sagan)/特魯西(Marcello Truzzi)/拉普拉斯(Pierre Simon de Laplace)。從佢嘅名言「上帝不會擲骰仔」可以睇出啲端倪

量子力學入面其中一個怪異現象—量子糾纏(quantum entanglement),亦令愛因斯坦好困擾。佢仲同其他後輩發表論文提出流傳後世嘅愛因斯坦普度斯基羅森悖論(Einstein-Podolsky-Rosen paradox, EPR paradox)*,質疑哥本哈根詮釋(Copenhagen interpretation)。論文入面佢提出量子力學相關嘅思想實驗,亦即後來薛丁格(Erwin Schrödinger)命名嘅量子糾纏,藉此指出呢個現象有如超遠距離嘅鬼魅效應 (spooky action at a distance)。由於有可能涉及超光速訊息傳遞,同佢嘅相對論(relativity)有矛盾,所以佢認為量子力學喺詮釋同理論上有「缺憾」/爭咁啲嘢,有隱藏變量(hidden variables)。論文引申對量子力學嘅爭論仲持續咗幾十年

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Einstein facepalm

愛因斯坦雖然係屈機天才,不過佢呢個睇法最終喺佢死後被人推翻。量子糾纏其實唔涉及超光速訊息傳遞,隱藏變量理論(hidden variable theory)亦同後來嘅實驗結果有出入。[offtopic] 不過唔知點解好多外行人/初學者仍認為EPR悖論尚未有解答或者藉此推論量子糾纏=瞬間超光速效應 [ban] [ban] [sosad] [sosad]

*呢個普度斯基唔係踢過阿仙奴、拜仁嗰個德國球星 :O)

乜嘢係量子糾纏?(What is quantum entanglement?)

要理解愛因斯坦點解咁諗同點樣解答佢嗰EPR 悖論,首先要知道乜嘢係量子糾纏。簡單用一句話概括嘅話量子糾纏係指兩粒粒子經過某段時間一齊時嘅相互作用後,就算之後分開咗幾遠,佢地最後被觀察出嘅形態雖然根據量子力學係隨機,但兩者間永遠都有關聯。簡單描述可以睇下面段片(英文)

https://www.youtube.com/watch?v=DbbWx2COU0E

試想像一個會釋放出兩粒子嘅系統,好似一粒亞原子粒子(subatomic particle)衰變咁。根據物理模型數學上嘅對稱性,過程中要遵守守恆定律,所以衰變出嚟嘅粒子嘅狀態有好大關聯。簡單通常講嘅例子有自旋spin為零好似pion嘅中性粒子當佢衰變出一粒電子同正電子嗰情況咁。自旋同為1/2嘅電子同正電子佢地自旋嘅形態有上旋|↑> 同下旋|↓> 兩種可能性。假設粒電子同正電子衰變出嚟後各自高速向相反方向行而且冇再接觸過,然後我地各自分開觀察佢地。雖然量子力學話俾我地知各自睇粒電子同正電子量度出上旋|↑> 同下旋|↓>嘅可能性均為50%,但因為角動量守恆,如果粒電子處於上旋|↑>嘅話粒正電子就必然處於下旋|↓>,相反亦然。呢個現象後來被稱為量子糾纏。

呢個現象令愛因斯坦「好唔舒服」,因為驟眼睇兩粒粒子間好似有瞬間作用力,而且仲係無論隔幾遠都一樣,完全「違反」佢一直相信同畢生嘅傑作相對論嘅前設。不過佢嘅睇法最後被證實係錯嘅…

貝爾不等式,有關聯唔等於必然有因果關係 (Bell’s inequality, correlation does not necessarily imply causation)

要解答愛因斯坦嘅EPR悖論,首先要釐清一啲錯誤嘅概念。試想像下面個例子:夏天時比其他季節多咗好多人食雪糕;夏天同時沙灘又多咗好多鯊魚襲擊人嘅事件。咁係唔係由此我地可以推斷食雪糕會導致鯊魚襲擊人?梗係唔係啦 [sosad] (除非條鯊魚係《銀魂》嗰阿銀扮嘅?[sosad])

記住結果喺統計上有關聯唔等於事件間必然有因果關係存在。呢個係啲人成日犯嘅謬誤,就算喺大學學術界入面都有唔少 [sosad] 經典例子就好似舊年年尾中大個食早餐高分啲個研究咁[ban][ban] [1]

為咗解決量子力學究竟係確定性定係隨機性,需唔需要隱藏變量呢啲一直困擾物理學家嘅問題,物理學家貝爾(John Bell)喺愛因斯坦死後嘅1964年諗到一個聰明嘅方法點樣用實驗去解答呢啲問題。嗰方法被稱為貝爾不等式/貝爾定律(Bell’s inequality/Bell’s theorem),相關實驗其後相繼喺七十、八十年代被實現出嚟。結果最後證實量子力學根本上真係隨機,量子糾纏o緊嘅粒子只係有關聯冇相互作用,中間唔存在瞬間超光速效應,隱藏變量理論係錯嘅。詳細關於貝爾不等式同相關實驗嘅解釋可以睇下面段片

https://www.youtube.com/watch?v=kGRyHi72qvk

另外如果大家對狹義相對論有啲認識同睇過小弟之前寫嘅劣拙文,應該記得「同時」呢個概念根本就唔存在,唔同觀察者對同時嘅定義都可以唔同,所以根本唔存在瞬間作用呢樣嘢。而且雖然喺A粒子嘅角度睇好似量度A時會「瞬間」決定咗B粒子嘅形態,但換個角度喺B粒子睇你一樣可以話量度B「瞬間」決定咗A嘅形態。換句話即係其實兩個講法都講唔通,事實係A同B粒子間有統計學上嘅關聯但冇因果關係/相互作用。正確啲講,糾纏中嘅一對粒子嘅兩個量子形態其實係應該睇做「一個」單一嘅量子形態。總結一句,愛因斯坦都有錯嘅時候,量子糾纏=/=遠距離超光速瞬間效應,量子糾纏=/=遠距離超光速瞬間效應,量子糾纏=/=遠距離超光速瞬間效應(好重要所以要講三次 XD XD)

[offtopic] 數學家約翰·康威(John Conway)近年亦用比較嚴謹嘅數學邏輯發表咗自由意志理論(free will theorem)#去解釋隱藏變量理論根本上同量子力學有抵觸

#嗰理論其實同哲學成日探討嘅自由意志冇乜太大關係,好似係

 

最後送上一條幾得意嘅講霍金同飾演蟻人的保羅.路德 (Paul Rudd)捉量子西洋棋嘅短片 =)

https://youtu.be/Hi0BzqV_b44

今次講住咁多先,下次再談

 

引申延讀:

[1] https://www.thestandnews.com/cosmos/%E5%9E%83%E5%9C%BE%E7%A7%91%E5%AD%B8-%E6%B7%BA%E8%AB%87%E9%A3%9F%E6%97%A9%E9%A4%90%E9%AB%98%E5%88%86%E7%A0%94%E7%A9%B6/

https://www.thestandnews.com/cosmos/%E6%B7%BA%E8%AB%87%E7%A7%91%E7%A0%94%E6%93%8D%E5%AE%88-%E9%A3%9F%E6%97%A9%E9%A4%90%E6%9C%83%E9%AB%98%E5%88%86%E5%95%B2-%E4%BA%8C/

[2] http://pansci.asia/archives/96429

[3] https://www.theguardian.com/science/across-the-universe/2012/oct/08/einstein-nobel-prize-relativity

立場書面語版:

https://www.thestandnews.com/cosmos/%E8%B6%85%E9%81%A0%E8%B7%9D%E9%9B%A2%E7%9A%84%E9%AC%BC%E9%AD%85%E6%95%88%E6%87%89-%E6%84%9B%E5%9B%A0%E6%96%AF%E5%9D%A6%E9%83%BD%E6%9C%89%E9%8C%AF%E7%9A%84%E6%99%82%E5%80%99/

 

 

 

叮噹法寶物理原理大解構 [一] (The Physics behind Doraemon Gadgets I)

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(圖片來源:https://chinesedora.com)

時光機/隨意門 (タイムマシン/どこでもドア)

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固名思義,時光機就係用嚟任意穿越時空,去時間旅行嘅法寶;而隨意門就係用嚟進行瞬間轉移,可以隨意去任何地方(只限十光年內,好似係)。呢兩件法寶都係出現次數最多,最受歡迎嘅法寶之一。

咁呢兩件法寶背後又靠咩原理運作呢?根據官方同叮噹嘅解釋,隨意門原理係運用蟲洞(wormholes),將所在地同目的地間嘅時空扭曲直接令兩地靠攏 (詳見漫畫大長篇《大雄的宇宙開拓史》,見下圖) 至於時光機背後嘅原理就冇詳細解釋過啦(好似係)…不過基於蟲洞喺叮噹漫畫世界入面係存在而且可以輕易造出嚟,小弟斗膽推論叮噹嘅時光機都係用咗蟲洞嚟進行時間旅行。

喺現實世界時間旅行、瞬間轉移又有冇可能呢?首先講時間旅行。根據狹義相對論(special relativity),基於時間係相對嘅,去未來呢個選項其實唔難,甚至連蟲洞都唔需要。運用時間遲滯 (time dilation)呢個現象,我地只要加速至接近光速(亞光速)就可以輕易去到未來。現實上1941年已經有實驗量度地面來自宇宙射線中嘅muon數量,一種類似電子但重好多同會衰變嘅基本粒子,去證明呢個現象 (詳細關於狹義相對論嘅講解請重溫番物理喵同小弟之前啲文[1])

咁回到過去呢?其實小弟冇幾耐之前已經寫過一篇文詳細探討過物理學上蟲洞同回到過去嘅可行性,詳見[2] 雖然未有最終答案,但基本上小弟唔認為回到過去係理論上係可行

咁瞬間轉移呢?蟲洞或者唔存在,咁唔用蟲洞又得唔得呢?如果閣下講嘅瞬間係真係如字面解釋亦即係即時嘅意思,咁理論上就冇可能。因為相對論講明冇訊息嘅傳遞可以快過光速,冇訊息嘅傳遞可以快過光速,冇訊息嘅傳遞可以快過光速 (好重要所以要講三次 XD)。* 所以理論上最快嘅轉移速度都只有可能係光速。如果閣下接受到光速嘅轉移速度都可以當係瞬間,咁類似叮噹嘅隨意門理論上都係可行gei 不過根據狹義相對論要將所有組成一件物件甚至一個人嘅粒子加速至亞光速需要嘅能量同時間基本上係非常可觀甚至接近冇可能…呢個問題又點解決呢?答案係放棄直接轉移物件/人,改做傳遞物件/人本身所含嘅一切訊息,然後喺目的地重新製造番出嚟。

呢個方法叫量子傳送(quantum teleportation),原理涉及量子力學(quantum mechanics),運用咗理論中一樣叫量子糾纏(quantum entanglement)嘅現象。同一般人認知嘅複製唔同,雖然目的地件嘢係根據原本件嘢嘅資訊複製出嚟,但基於量子力學嘅不可複製原理(no-cloning theorem) {簡單解釋請睇 [3]},原本嗰件物件喺轉移過程中係無可避免被消滅。呢個技術喺九十年代尾已經有實驗證實成功咗,目前一個量子位元(quantum bits, qubits)嘅量子傳送紀錄係143km [4]。詳細背後原理請睇[5] 同下面minutephysics啲短片

https://www.youtube.com/watch?v=DxQK1WDYI_k (詳細英文版)

https://www.youtube.com/watch?v=dAaHHGHuy1c (英文簡短原版)

https://www.youtube.com/watch?v=QFWsXMd1aqo (中文字幕簡短版)

[offtopic] 量子糾纏唔涉及違反光速限制嘅超遠距離作用力,粒子中間冇相互作用,嗰現象只係如統計學上嘅關聯效應。請記住相關不蘊涵因果(correlation does not imply causation)呢個觀念。有關呢個連愛因斯坦都理解錯,接受唔到嘅現象嘅講解遲啲有機會詳細寫文再講

量子傳送雖然(英文)名義上叫「瞬間轉移」,但嚴格上嚟講呢個技術唔係瞬間又唔冇轉移過任何嘢 [sosad] 咁用呢個技術做出嚟嘅「轉移」器仲算唔算隨意門,喺目的地「轉移」出嚟嘅「你」仲係唔係你呢?呢啲咁難答甚至涉及哲學層面嘅問題就留番畀 閣下自行解讀啦![slick]

另外關於隨意門嘅物理討論亦可參考物理喵嘅文章[6]

穿越環 (通りぬけフープ)

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穿越環,一件喺漫畫,尤其係大長篇中出現次數頗多嘅法寶,喺被人困住嘅時候用嚟「走佬」嘅神器。擁有呢件法寶就有如學識忍術、特異功能咁,可以輕易瞬間穿越一切牆壁同障礙物,而且仲不留痕跡o添 =p

真實物理世界穿牆術又有冇可能呢?喺經典物理學入面,穿牆術只係天方夜譚,理論上唔容許。日常生活經驗都話畀我地知要越過一幅牆嘅可行辦法只有一係打爛幅牆,一係跨過去。不過喺量子力學世界就唔同講法啦,穿牆術喺微觀世界唔單止可行,而且係正常不過嘅現象。好似攪到人心惶惶嘅切爾諾貝爾同福島核事故,嗰啲化學嘅有放射性位元素,衰變嘅背後原理其實都係「穿牆術」[slick]

物理學上呢種現象叫量子穿隧 (quantum tunnelling)。雖然睇落好似好荒謬,但其實可以用海森堡測不準定律 (Heisenberg uncertainty principle) 輕易解釋得到。仲記唔記得小弟之前講量子力學,解釋咩係測不準定律篇文啊[7]?喺量子力學世界,粒子嘅能量同位置都唔係絕對而係講機率,所有位置同能量值都有可能。所以就算喺經典物理學入面粒粒子嘅能量唔足以穿越一個位勢(potential)障礙,喺量子力學入面都有一定嘅可能性粒粒子嘅能量喺好短時間內大過需要用嚟穿越障礙嘅能量並最後成功穿越咗,雖然機率或者好細。簡單解釋同比喻請睇下面sixty symbols同minutephysics嘅短片(英文)

https://www.youtube.com/watch?v=qI5q6OqSo4s

https://www.youtube.com/watch?v=cTodS8hkSDg

不過以上講嘅「穿牆術」只限量子力學微觀世界。至於點樣將呢個現象放大至宏觀世界,應用喺好似穿越環咁嘅法寶叮噹就冇講啦 [sosad] 或者經過穿越環嘅時候大雄叮噹佢地其實係同時被分解成一粒粒原子,過程一啲都唔好受? XD XD

今次講住咁多先,下回待續。最後送上一曲緬懷吓叮噹御用配音員林保全作結:

https://www.youtube.com/watch?v=1o9GFHia14Q

 

*蟲洞冇違反呢個限制,因為蟲洞做嘅係將時空扭曲,將上面本來好遠嘅兩點靠埋一齊,直接縮短兩地嘅距離

引伸延讀:

[1]https://phycat.wordpress.com/2015/03/27/%E4%BD%A0%E4%B9%9F%E8%83%BD%E6%87%82%E7%9B%B8%E5%B0%8D%E8%AB%96/

https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/tag/%E7%8B%B9%E7%BE%A9%E7%9B%B8%E5%B0%8D%E8%AB%96special-relativity/

[2] https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2017/04/11/%E7%89%A9%E7%90%86%E5%AD%B8%E4%B8%8A%E6%99%82%E5%85%89%E6%97%85%E8%A1%8C%E6%9C%89%E5%8F%AF%E8%83%BD%E5%97%8E-is-time-travel-ever-possible/

[3] https://www.youtube.com/watch?v=owPC60Ue0BE

[4] https://www.nature.com/nature/journal/v489/n7415/full/nature11472.html

[5] http://www.hksilicon.com/articles/1183056

[6] http://pansci.asia/archives/117890

[7] https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2017/02/07/%E6%89%80%E6%9C%89%E5%98%A2%E9%83%BD%E4%BF%82%E9%87%8F%E5%AD%90%E5%8A%9B%E5%AD%B8%E7%B3%BB%E5%88%97-%E5%8F%88%E4%BF%82%E7%B2%92%E5%AD%90%E5%8F%88%E4%BF%82%E6%B3%A2%E5%8D%B3%E4%BF%82%E9%BB%9E-what/

書面語版現刊於立場新聞︰

https://www.thestandnews.com/cosmos/%E5%8F%AE%E5%99%B9%E6%B3%95%E5%AF%B6%E7%89%A9%E7%90%86%E5%8E%9F%E7%90%86%E5%A4%A7%E8%A7%A3%E6%A7%8B-%E4%B8%80/