什麼是量子互文性?

時間 2021-06-03 11:04:23

1樓:也疏寒

首先量子互文性是量子力學基礎研究中的乙個重要方面,現在也是乙個研究的熱點。我覺得也許從例子出發會更加方便解釋。為了解釋量子互文性,我們得先介紹隱變數理論。

雖然現在大部分物理學家接受了量子力學的哥本哈根詮釋,但這個詮釋也有許多令人不滿意的地方。Einstein-Podolsky-Rosen paradox就是乙個早期的嘗試,想把量子力學解釋的更加「經典」(與經典直覺更加吻合)一點。我們知道量子力學是非確定性的、概率性的,那麼是否我們可以設想這種概率性其實是由某種尚未被發現的物理引數控制的呢?

設想我們是生活在二維平面上的生物,我們眼中的物理只有長度上的差異(當然,通過某些手段我們也能區別圓和正方形,三角形等等,比如利用散射)。這時候如果乙個三維的球體沿著垂直球面的方向以一定速度做上下運動,隨著球的運動,我們眼中看到的球有可能是:乙個點,一條線(並且長度在變化),或者什麼都沒有,而這些情況會以一定的概率分布出現。

如果我們能夠知道球體的運動速度,那我們觀察到的線段長度的概率性就可以被解釋了(以一種和經典完全一樣的方式)。這種理論叫隱變數理論,在上面的例子中球的運動速度就是隱變數。有各種各樣的隱變數理論嘗試解釋量子力學:

比如Einstein-Podolsky-Rosen和Bell的局域隱變數理論、Bohm-de Broglie的導波理論,以及Kochen-Specker的非互文隱變數理論、Leggett-Garg的巨集觀實在隱變數理論等等。

所謂的量子互文性就是說量子力學是違反非互文隱變數理論的。也就是說量子力學的概率性不能被解釋為某種非互文隱變數理論。量子互文性是Bell非定域性向單體系統的推廣,這最早是由Kochen和Specker兩個人做的。

如果你熟悉Bell非定域性的話,就知道,Bell非定域性要求兩個物理體系要類空分離,而Kochen-Specker量子互文性則取消了這個假設。

給乙個簡單的例子,如果力學量 和力學量 同時可測,力學量 與 也同時可測,那麼不存在一種自洽的賦值方式,是的我們同時可以對 進行賦值。當然,這不是極其嚴格的說法。這裡給乙個嚴格的例子,常被稱為KCBS不等式:

假設對於乙個自旋為一的體系(三能級體系),我們取五個力學量, ,每個力學量都只有 兩個本徵值,並且使得 與 ,與 , , 與 , 都同時可測(也就是對易),而別的再沒有別的對易對,比如與 ,不能對易。這時候我們可以發現這樣的一組力學量以及量子態 使得

.實際上量子力學能取到的最小值是 。但從非互文隱變數的角度考慮,假如我們能自洽地賦予它們的本徵值,那麼上式左邊始終只能大於或等於 。

這也就說明了量子力學是不滿足非互文隱變數解釋的。這種現象就叫量子互文性。

簡單來說,量子互文性否定了不依賴於測量的量子力學的實在論解釋。也就是說,從理論的層面看,不存在一種方式使得量子力學裡面的概率性可以被解釋為預先存在的隱變數理論。

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