深度科普：量子纠缠速度达观点的10000倍，难道违反相对论了吗？

1935 年，阿尔伯特・爱因斯坦、B.E. 波多尔斯基和 N. 罗森发表了一篇名为《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的？》的论文，提出了后来被称为 EPR 佯谬（EPR 效应）的思想实验，量子纠缠由此进入人们的视野 。

埃尔温・薛定谔在研究这一佯谬时提出了 EPR 操控，还给出 “Quantum Entanglement（量子纠缠）” 这一术语。

量子纠缠描述了这样一种神奇的现象：当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质 。

简单来说，处于纠缠态的两个粒子，无论相隔多远，当其中一个粒子的状态发生变化时，另一个粒子会瞬间发生相应变化，就好像它们之间存在着一种超越时空的 “心灵感应”。

中国科学技术大学潘建伟团队的研究成果为量子纠缠提供了有力的实验支撑。

2017 年，“墨子号” 量子卫星成功实现了千公里级的量子纠缠分发，两个量子纠缠光子被分发到相距超过 1200 公里的距离后，仍能继续保持其量子纠缠的状态 。这一实验不仅验证了量子纠缠的远距离特性，也让人们对量子纠缠的神奇有了更直观的认识。

科学家通过实验观察到，当对处于纠缠态的一对光子中的一个进行测量，使其自旋状态确定时，另一个光子无论相隔多远，都会瞬间呈现出与之对应的自旋状态，仿佛它们之间的信息传递是瞬间完成的，完全不受距离的限制。

而根据目前实验显示，量子纠缠的作用速度至少比光速快 10,000 倍，这还只是速度下限。

根据量子理论，测量的效应具有瞬时性质。在宏观世界的认知里，光速是宇宙中最快的速度，任何物体的运动速度都无法超越光速，这是爱因斯坦相对论的重要基石。然而量子纠缠所表现出的超光速特性，似乎对这一传统观念发起了挑战，也难怪爱因斯坦将其称为 “幽灵般的超距作用”。那么，量子纠缠的这种超光速现象，真的违反了爱因斯坦的相对论吗？

要解答量子纠缠是否违反相对论这一问题，得先深入了解爱因斯坦相对论里的速度限制相关内容。相对论分为狭义相对论和广义相对论，其中狭义相对论主要探讨的是惯性系中物体的运动规律，其核心内容与光速紧密相关。

狭义相对论基于两条基本假设：一是相对性原理，即在所有惯性参考系中，物理定律的形式都是相同的；二是光速不变原理，真空中的光速在任何惯性参考系中都是恒定不变的，约为 299792458m/s ，与光源和观察者的相对运动无关。这两条假设看似简单，却蕴含着深刻的物理意义。

从这两条假设出发，狭义相对论推导出了一系列重要结论，其中就包括对速度的限制。根据狭义相对论，物体的质量会随着速度的增加而增大，当物体的速度趋近于光速时，其质量会趋近于无穷大。

而根据牛顿第二定律 F=ma（其中 F 是力，m 是质量，a 是加速度），要使质量无穷大的物体继续加速，就需要无穷大的能量，这在现实中是不可能实现的。所以，有静止质量的物体的运动速度永远无法达到光速，更不可能超过光速。

同时，相对论还指出，能量、物质和信息的传递速度也不能超过光速。这是因为信息的传递需要借助物质或能量，一旦信息传递速度超过光速，就会导致因果律的冲突。想象一下，如果存在超光速的信息传递，就可能出现结果先于原因发生的荒谬情况，这显然违背了我们对世界的基本认知。例如，在一个事件发生之前就接收到了关于这个事件结果的信息，这在逻辑上是无法成立的。

虽然量子纠缠现象中粒子状态的关联速度远超光速，但实际上这一过程并不涉及信息的传递，所以从本质上来说，它并不违反相对论中关于信息传递速度的限制。

在量子力学里，粒子的状态在被测量之前处于一种不确定的叠加态，只有在测量的瞬间，波函数才会坍缩，粒子的状态才会确定下来。对于处于纠缠态的两个粒子，它们的状态在测量前是不确定的，且相互关联。当对其中一个粒子进行测量时，它的状态瞬间确定，与此同时，另一个粒子的状态也会瞬间确定，以保持它们之间的纠缠关联 。

以电子的自旋为例，电子的自旋有 “向上” 和 “向下” 两种状态。当两个电子处于纠缠态时，它们的自旋方向总是相反的。如果测量其中一个电子的自旋为 “向上”，那么另一个电子的自旋就会瞬间被确定为 “向下” 。

但关键在于，在测量之前，我们无法预测会得到哪种结果，测量结果完全是随机的。这就意味着，我们不能通过控制对一个粒子的测量结果，来向另一个粒子传递特定的信息。比如，我们不能让一个粒子的测量结果始终为 “向上”，从而让另一个粒子始终为 “向下” 来代表某种信息。

假设在地球上有一个处于纠缠态的粒子 A，在遥远的月球上有与之纠缠的粒子 B。地球上的人测量粒子 A 的自旋状态，测量结果是随机的，可能是 “向上”，也可能是 “向下” 。

当测量结果出来后，月球上的粒子 B 的自旋状态会瞬间确定，但月球上的人并不知道地球上的人测量的结果是什么，也无法从粒子 B 的状态变化中获取到地球上的人想要传递的任何信息。要想让月球上的人知道地球上的测量结果，还是需要通过传统的通信方式，比如无线电信号等，而这些传统通信方式的速度是无法超过光速的。

所以，量子纠缠虽然展现出了超光速的关联性，但由于无法传递信息，并没有违反相对论中信息传递速度不能超过光速的限制。

在物理学中，有不少看似 “超光速” 的现象，仔细探究会发现它们其实并未真正违反相对论，这也进一步说明了在相对论里对 “速度” 定义的重要性。

先看 “前后东西都不是同一个东西的超光速” 情况。

拿用望远镜观测天空这个例子来讲，当我们手持望远镜随意转动时，按照两地之间的距离除以转动的时间来计算，其速度似乎能轻松 “超光速”。

但实际上，前一刻进入眼睛的光和后一刻进入眼睛的光并非同一个光 。这本质上可以解释为低速旋转（运动）物体的无意义投影的速度超光速，这种情况并不违背相对论。

与之类似的还有影子和光斑，当我们用光源照射物体产生影子，快速移动光源时，影子在远处的移动速度看似超光速 ，可实际上影子只是光被遮挡形成的暗区，并不是实际的物质在移动，光斑也是类似原理，它们都只是看起来 “超光速”，实际上并没有真正的物质或信息以超光速传递。

再是 “速度的无意义相加的超光速”。假设我们让两个基本等于光速 c 的亚光速物质相背而行，从我们所处的参考系来看，很容易直观地认为它们的 “相对速度” 应该是 2c 。但这种看法是错误的，这里所认为的相对速度只是速度的无意义叠加。

在相对论中，速度永远只存在于两个坐标系之间，不会有第三个坐标系参与定义。这两个相背而行的亚光速物质，它们之间真正互相认为的相对速度，通过相对论的速度变换公式进行加速计算可以得知，是近乎于 c 的，并没有超过光速。

还有 “低速叠加在远距离看起来的超光速”，宇宙膨胀就是典型例子。

自 20 世纪 20 年代美国天文学家埃德温・哈勃发现宇宙膨胀以来，大量观测表明，距离地球越远的星系，远离地球的速度越快，在极远处的星体正以超光速远离我们 。这是因为在微观尺度下，宇宙中各处都在发生着低速的膨胀运动，这些微小的低速膨胀在宏观大尺度上不断叠加，最终导致了极远处星体看起来以超光速远离。

打个比方，假设有一把长度为 1 光秒的尺子，在一秒内尺子的每 1cm 都膨胀成 2cm，从尺子两端来看，它们的远离速度达到了光速 c 。但深入分析会发现，本质上这是由微观尺度下低速的 1cm→2cm 的膨胀叠加导致的，相对论并不禁止这样一种看似超光速但实际上没有实质信息、物质超光速传递的现象。

这些看似 “超光速” 的现象，都从不同角度强调了在相对论中，对速度的定义以及对物质、信息传递速度限制的严谨性。理解这些内容，能帮助我们更好地明白量子纠缠速度的特殊性，它和这些看似 “超光速” 的现象一样，虽然表象上与我们日常对速度的认知不同，但实际上都在物理规律的框架内，并不违反相对论。

量子纠缠的超光速现象，虽然乍看之下与爱因斯坦相对论中关于速度的限制存在冲突，但深入探究其本质会发现，两者实际上并非相互矛盾，而是在各自的领域内都具有正确性和重要性。

相对论作为现代物理学的重要基石，其关于速度限制的理论，在宏观世界和涉及物质、能量、信息传递的场景中，经受住了无数实验和观测的检验，为我们理解宇宙中天体的运动、引力的本质等宏观现象提供了坚实的理论基础。从行星的轨道运行到黑洞周围的时空弯曲，相对论的理论都能给出准确的解释和预测。