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如何理解量子糾纏里的貝爾不等式|No.20

 風(fēng)景天成 2016-08-21

感覺我們問答可以試著寫個大長篇


比暑假還要長




1
Q

小時候有個猜想,。假如地球上的所有人、動物,,同時朝著同一個方向(如東方)行走,,地球自轉(zhuǎn)的速度會不會被加快或減慢。

西西里

A

回答這個問題之前最好先對人類的總質(zhì)量和地球的總質(zhì)量有個感性認(rèn)識,。假設(shè)人類的平均質(zhì)量是50kg,,那么大約每20人才有一噸,全世界加起來也不到四億噸,。四億噸是什么概念呢,,還沒有一立方公里的海水的一半重。而地球的總質(zhì)量是59.77萬億億噸,。所以哪怕這些人都在赤道上一起往東走,,對地球的自轉(zhuǎn)速度影響也是微乎其微的。(況且赤道自轉(zhuǎn)速度465m/s,,遠(yuǎn)大于人的移動速度,。)





2
Q

為什么氫氧化鈣在水中的溶解度隨溫度升高而降低,大多數(shù)物質(zhì)增大,,為什么,?

Dr.Wells 

A

這個問題分兩步說,我們先說為什么大多數(shù)物質(zhì)溶于水會放熱,。物質(zhì)溶于水時有兩個過程,,先是物質(zhì)內(nèi)部的化學(xué)鍵或分子間力被拉開,這一步要吸收熱量。然后是被拉開的物質(zhì)離子或分子與水或水離子重新結(jié)合,,這一步要放出熱量,。大多數(shù)溶于水的物質(zhì),第二步與水結(jié)合時釋放的能量要大于第一步拆散該物質(zhì)原有結(jié)構(gòu)吸收的能量,。所以最終結(jié)果是系統(tǒng)總的化學(xué)能變低,,因此溶化過程可以自發(fā)發(fā)生。系統(tǒng)放熱,,溫度升高,。

但有一小部分像氫氧化鈣這樣的物質(zhì),它們與水結(jié)合釋放的能量要小于拆散原有結(jié)構(gòu)吸收的能量,。但它們的溶化過程居然也能自發(fā)發(fā)生,即使溫度會降低,。這是為什么呢,?

原因是氫氧化鈣溶液的狀態(tài)比固態(tài)的氫氧化鈣加上純水的狀態(tài)要雜亂得多,換句話說,,氫氧化鈣溶液的熵高得多,。因此雖然氫氧化鈣溶于水這個過程總的化學(xué)能是升高的,但由于熵增了,,所以總的自由能還是減少的,,使得這個過程也能自發(fā)發(fā)生,這是一個熵驅(qū)動的自發(fā)過程,。






3
Q

請問廣義相對論跟量子力學(xué)的根本矛盾是什么,,為什么要統(tǒng)一呢?我認(rèn)為根本沒必要統(tǒng)一啊,,一個描述宏觀世界,,一個描述微觀世界,以普朗克恒量為界限互不干擾

困擾的快樂

A

相對論和量子力學(xué)并不是一個描述宏觀世界一個描述微觀世界,。準(zhǔn)確的說應(yīng)該是一個描述宏觀高速世界,,一個描述微觀低速世界。而牛頓力學(xué)最弱,,只能描述宏觀低速世界,。那么問題很自然就來了,什么理論能夠描述微觀高速世界呢,?比如原子核內(nèi)的物理,?

答案就是狹義相對論加上量子力學(xué)形成的量子場論。但量子場論還無法解釋引力,,無法與廣義相對論統(tǒng)一,,那么我們又要問了,什么理論能夠解釋微觀的引力世界呢?比如黑洞,,比如宇宙大爆炸,?答案就是量子引力理論,而這個東西現(xiàn)在還沒有建立起來,。






4
Q

什么是宇宙學(xué)紅移,?引力紅移?多普勒紅移,?

圖靈一世


A

多普勒紅移是指,,如果一個發(fā)光源一邊發(fā)著光一邊以一定速度遠(yuǎn)離你,那么你看到該發(fā)光源發(fā)出的光的頻率就會變?。ǔ潭热Q于速度多接近光速),,這叫紅移。

引力紅移是指,,一個光源從一個有很大引力的天體往外發(fā)射光線,,這個光線的頻率會變小,變小的幅度取決于引力的強(qiáng)弱,。光線的頻率變小意味著光線的能量變小,,能量變小的原因可以認(rèn)為是一部分能量拿去克服引力了。(這個說法并不嚴(yán)格,,因?yàn)樵趶?qiáng)引力場下引力勢能的定義并不是一件很簡單的事,。)

宇宙學(xué)紅移是指,由于宇宙在膨脹,,所以離我們越遠(yuǎn)的天體就以越快的速度遠(yuǎn)離我們,,導(dǎo)致我們看到的它們發(fā)出的光的頻率變小了。







5
Q

分析力學(xué)相較于牛頓體系的優(yōu)勢何在,?

咦邋兒 


A

不需要畫圖,,把頗具技巧性的受力分析換成了程式化的通過拉氏量哈密頓量求運(yùn)動方程的過程。

能夠更清晰的看到守恒律與對稱性的關(guān)系,,也就是諾特定理,。

而且在這個體系下事實(shí)上已經(jīng)不需要借助人為定義的“力”這個概念了。只需要能量,,動量,,角動量等可以有守恒律的量。

極易推廣為相對論形式,,量子形式,,統(tǒng)計(jì)形式。

與辛幾何等嚴(yán)格深刻的數(shù)學(xué)關(guān)系密切,。

(暫時想到的幾個,,歡迎補(bǔ)充)






6
Q

電阻到底是怎么產(chǎn)生的?它的本質(zhì)是什么?

·?·?

A

原子晶格散射了正在做定向運(yùn)動的迅游電子,,使得巡游電子被電場加速得到的動能部分變成了原子晶格的振動能,也就是原子晶格的能量,。





7
Q

我目前在自學(xué)狹義相對論,,對E=MC2的理解不是很透徹。請問對一個封閉系統(tǒng)來說,,這個里面的E包括勢能么,?如果包括,那假設(shè)空間中有兩個帶不同電荷的粒子,,在互相吸引加速的過程中,,勢能減少,動能增加,。在速度加快的過程中,,整個系統(tǒng)的質(zhì)量也會增加,按照E=MC2,,整個系統(tǒng)的能量在增加,。這不就違反了能量守恒?請問我這個想法錯在哪里,?

自學(xué)者


A
沒有違背能量守恒。在相對論中,,動能的定義是總能量減去靜止能量,。所以增加的質(zhì)量也算動能的。而且還有一個更有趣的結(jié)論,。假設(shè)這兩個粒子最后撞在一起形成了一個整體,。那么這個整體的總動量為零,因此是靜止的,。但這個整體的靜止質(zhì)量卻大于兩個粒子的靜質(zhì)量之和,,而且多出來的部分質(zhì)量乘上光速平方,剛好等于勢能差,。因此進(jìn)一步說明能量是嚴(yán)格守恒的,。






8
Q

量子力學(xué)該怎么學(xué)

物理


A

方法不唯一。一般推薦從矩陣力學(xué)入手,,先理解量子力學(xué)的整體理論框架,,然后再去解連續(xù)的薛定諤波動方程。把量子力學(xué)學(xué)成偏微分方程練習(xí)就錯了,,把量子力學(xué)學(xué)成線性代數(shù)練習(xí)就對了,。第一遍學(xué)遇到物理上無法理解違反直覺的東西,應(yīng)該先接受,,以能算出東西為主,。學(xué)完一遍之后再去思考它那些違反直覺的物理意義,。






9
Q

在某個星球上,有個光子沿徑向逃逸,,可惜能量不足以跳出勢阱(為考慮問題方便,,假設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足)。該光子身上發(fā)生什么變化,,經(jīng)歷了一個怎樣的過程,?

空0


A

這個問題很好。表揚(yáng)一下,。我來重新闡述一下這個問題:剛剛說了,,光子逃出大質(zhì)量天體會紅移,一部分頻率要用來克服引力,。那么會不會出現(xiàn)這樣一種天體,。高頻光子會克服引力逃逸出去,低頻光子升到一定高度就頻率為零無限紅移了,?那么這時候會發(fā)生什么,。

答案是不會有這種天體哦。原因是不同頻率的光子需要克服的引力并不一樣,。光子沒有靜質(zhì)量,。引力只會作用于它的動能量上。即頻率乘上普朗克常數(shù)hv,。而這個能量又恰好等于光子克服引力的能力,。因此如果廣義相對論的等效原理是正確的話,那么任何天體,,要么它什么頻率的光子都束縛不住,,要么它表明逃逸速度超過光速,束縛住所有頻率的光子,,變成黑洞,。兩者只能取其一。

不會有只能束縛一部分光子的天體存在,。






10
Q

如何理解貝爾不等式

非對稱破缺 

A

上次說了要科普貝爾不等式~我的講法也許和大多數(shù)人的講法不一樣,!

假如你去一個水族館玩,發(fā)現(xiàn)這里的魚有三種屬性“紅色或藍(lán)色”“大或小”“有斑點(diǎn)和無斑點(diǎn)”,,每條魚都是這三個二元屬性的隨機(jī)組合,,比如紅色有斑點(diǎn)小魚,藍(lán)色有斑點(diǎn)大魚等等,。那么現(xiàn)在我要說一個很神奇很有意思的不等式了:


紅色的小魚的數(shù)量,,加上有斑點(diǎn)的大魚的數(shù)量,總是大于等于紅色的有斑點(diǎn)的魚的數(shù)量,。


這個不等式是嚴(yán)格正確的,,你可以把三種屬性化成A,,B,C,。(比如紅色是A,,那么藍(lán)色就是非A)然后畫出下面的集合圖。

A∩非B+B∩非C>=A∩非C



或者直接把集合展開(比如A∩B展開成A∩B∩C+A∩B∩非C),,把相同項(xiàng)都抵消掉~很容易證明的小練習(xí)哦~(手機(jī)放下,!拿起筆!)


而這個不等式其實(shí)就是大名鼎鼎的貝爾不等式的“小魚版本“啦,。這個不等式對經(jīng)典體系是嚴(yán)格成立的,。那么我們的問題是:什么時候這個不等式不再成立呢?答案是:當(dāng)小魚不再具有確定的紅色或藍(lán)色,,而是處于一種即是紅色又是藍(lán)色的疊加態(tài),,或者即是大于又是小魚的疊加態(tài),而且這即紅又藍(lán)疊加態(tài)和即大又小疊加態(tài)還相互糾纏時,,貝爾不等式會被違背,。

如果你按上面我說的推導(dǎo)了,你一定會同意,,這個不等式居然會被違背,!這是一件超級無法理解的事情誒。然而真實(shí)實(shí)驗(yàn)是,,在有糾纏的量子系統(tǒng)中,,貝爾不等式的確被違背了。

當(dāng)然,,在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的AB,BC,,AC指的是相隔很遠(yuǎn)的兩個糾纏態(tài)粒子的觀測結(jié)果,,比如自旋朝向。當(dāng)相隔很遠(yuǎn)的兩個粒子具有糾纏時,,貝爾不等式即會被違背,。實(shí)驗(yàn)中真實(shí)觀測到貝爾不等式被違背是一個里程碑,它表明量子糾纏是真實(shí)存在的,,而且量子糾纏是非局域的,,也就是它是一種不受光速限制的東西(如果受限的話貝爾不等式也不會被違背)。

違背的原理其實(shí)也可以推導(dǎo),,不過這個推導(dǎo)更復(fù)雜一些,,有興趣物理系本科生可嘗試(將A,B,,C視為概率因子,,重寫成波函數(shù)的模方的形式,,考慮波函數(shù)的干涉項(xiàng),得到非正定的結(jié)果,。)



11
Q

如果時間是算符了,,那么量子力學(xué)在研究什么?

第四維

A

量子力學(xué)骨子里面依然是經(jīng)典力學(xué),。在經(jīng)典力學(xué)中,,所謂的動力學(xué),就是求解系統(tǒng)隨時間的變化,,時間是被當(dāng)作主動變量的,。

量子力學(xué)動力學(xué)雖然與經(jīng)典力學(xué)動力學(xué)形式不一樣,但還是求隨時間的演化,,時間只好被當(dāng)作主動變量,,是個參數(shù)而不是算符。

在量子場論中,,時間和空間都不是算符,。有些讀者可能注意到了,若空間坐標(biāo)也不是算符了,,那還有什么位置-動量uncertainty 嗎,?

當(dāng)然了,其實(shí)更深層的麻煩是,, 時間是什么,? 關(guān)于這個問題,很不幸物理學(xué)家還不知道答案,。



特別致謝 Z. X. Cao 老師參與部分問題的討論和回答,!







寫下您的問題,下周五同一時間哦~

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