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电子偏振器实验揭示量子克隆的不可能性

时间:2023-11-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:当科学家们利用偏振器对电子做实验时,出现了一个令人无比诧异的结果。实验的过程如下图所示:电子通过偏振器的实验过程首先,我们让一个电子飞向这个偏振器,如果通过了,说明这个电子是上自旋的。因为,上自旋的电子有一半是左自旋,有一半是右自旋,这时候,电子有50%的概率能通过2号偏振器。也就是说,当电子通过2号偏振器时,这个偏振器已经随机改变了电子在上下方向的自旋态。

电子偏振器实验揭示量子克隆的不可能性

为了便于我后面的讲解,我们现在不妨给电子的各种自旋态起一个比较容易记住的名字。因为在日常生活中,我们习惯了用上下、左右、前后来描述空间的6个方向,所以我就把电子的自旋态称作上自旋、下自旋,或者左自旋、右自旋,前自旋、后自旋。因为电子的自旋态在同一种测量方式上只可能对应两个自由度,所以,上下、左右、前后它们总是结对的。

接下来,物理学家发明了一种装置,称为偏振器,它可以对电子进行筛选。比如,只允许上自旋的电子通过,或者只允许左自旋的电子通过。我国最著名的量子通信专家是潘建伟教授,在他的实验室里,那些令人头晕目眩的复杂设备,基本上都是各种各样的偏振器。

为了讲解更方便,我把偏振器抽象成下图这个样子:

箭头向上的偏振器,表示只允许上自旋的电子通过,箭头向右就表示只允许右自旋的电子通过,这个很好理解。当科学家们利用偏振器对电子做实验时,出现了一个令人无比诧异的结果。

实验的过程如下图所示:

电子通过偏振器的实验过程

首先,我们让一个电子飞向这个偏振器,如果通过了,说明这个电子是上自旋的。然后,在这个偏振器后面再放一个同样的偏振器,如图:

此时,不出意外,电子100%通过了下一个同样的偏振器,而且,不论在后面放多少个同样的偏振器,电子都是能飞过去的,这完全符合人们的预期。

接下来,如果我们把第二个偏振器换成一个向右的偏振器,让这个上自旋的电子继续朝2号偏振器飞,你觉得会出现什么情况呢?

实验结果也非常符合你的预期。因为,上自旋的电子有一半是左自旋,有一半是右自旋,这时候,电子有50%的概率能通过2号偏振器。实验做100次,大约飞过去50个,次数越多,就越准确。(www.xing528.com)

下面,我们就要见证令人感到无比怪异关键实验了。我们在后面再放一个向上的3号偏振器。

大家觉得,这个电子能不能飞过去呢?我们已经做过一次实验,如果没有2号偏振器,电子是100%通过3号偏振器的。按照地球人的正常逻辑,这个电子应该100%地通过3号偏振器,对吗?

然而实验的结果让物理学家们大跌眼镜:这个电子仍然只有50%的概率通过3号偏振器,尽管3号和1号都是上偏振器。

我们安静10秒钟,让大家回味一下,想想这意味着什么。

这意味着:不可能在两个不同的方向同时测准电子的自旋态!

看到这样的实验结果,以玻尔为首的哥本哈根学派开心坏了。他们认为:这就是电子不确定性原理的最佳证据啊,电子本身不存在确定的自旋态。在测量之前,电子处在所有自旋态的叠加状态,去追问到底是哪个态?对不起,这个问题没有意义!没有意义!没有意义!重要的话说三遍。

但是,以爱因斯坦为首的另一派提出了另外一个解释,我相信这个解释可能符合我们大多数人对世界的看法:这是因为我们的测量行为本身影响了电子的自旋态。也就是说,当电子通过2号偏振器时,这个偏振器已经随机改变了电子在上下方向的自旋态。

我现在想请问你,如果回到80多年前,你会站在哪一边呢?爱因斯坦和玻尔可是为了这个问题吵得不可开交。

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