物理

狹義相對論的危機

如同許多量子效應一樣,纏結這種現象牴觸了我們對世界最根本的直覺,也可能危及愛因斯坦的狹義相對論。

撰文/艾伯特(David Z Albert)、加千(Rivka Galchen)
翻譯/張明哲

物理

狹義相對論的危機

如同許多量子效應一樣,纏結這種現象牴觸了我們對世界最根本的直覺,也可能危及愛因斯坦的狹義相對論。

撰文/艾伯特(David Z Albert)、加千(Rivka Galchen)
翻譯/張明哲

重點提要
■我們所經驗的宇宙裡,只有碰得到的東西才會直接受到我們的影響,因此這個世界似乎具有「局部性」。
■然而,量子力學透過「纏結」的性質,使兩個粒子不需中介就可互相同步,展現出超距作用。這是一種「非局部效應」。
■非局部效應不僅違反直覺,對狹義相對論也造成了嚴重的問題,物理學的根本為之動搖。

如果要移動一顆石頭,根據直覺,就是得去推它,或是拿一根棍子去碰觸它,或是下達指令,透過空氣振盪傳播到某個人的耳朵,叫他手持棍子去戳石頭,或是其他類似的辦法;更直截了當地說,這直覺意味著東西要緊靠在一起,才能發生直接影響。如果A不在B旁邊,但卻能影響它,那效應一定不是直接的,而是以一連串事件做連結,每個事件直接影響下一個,經由一段距離依序從A傳到B。每當我們以為找到了違反這項直覺的例外,結果總會發現並非如此,例如,扳開開關點亮城市裡的街燈(但仔細一想這是透過電線傳遞的),或是聽BBC的廣播(但我們接著會想到這是透過空中的無線電波)。至少,在日常生活經驗裡,我們是找不到的。


我們把這種直覺的想法稱為「局部性」(locality)。


量子力學顛覆了許多直覺,但沒有一個比推翻局部性來得更意義深遠。而且它為狹義相對論(21世紀物理學的基石之一)帶來的危機,迄今未能解決。


量子力學挑戰直覺

回溯至量子力學發展之前,以及用科學來探索自然之初,學者相信,理論上這個物理世界可以藉著世界最小、最基本的物理元素,得到完整的描述。也就是說,把所有物理元素的小故事集合起來,就可以完整表達出這個世界的故事。


但是量子力學違反了這個信念。粒子集合體所表現出的真實、可測量的物理特徵,有可能並非個別粒子特徵的總和,甚至毫無關聯。例如,根據量子力學,我們可以讓一對粒子相距恰好兩公尺,但是兩個粒子各自卻都沒有確切的位置。除此之外,「哥本哈根詮釋」這個理解量子物理的標準方法(於20世紀初經由偉大的丹麥物理學家波耳加以宣揚,而後一代一代傳授下去)堅持,並不是我們不知道個別粒子的準確位置,而是這個答案根本就不存在。詢問單一粒子的個別位置,就像詢問數字5的婚姻狀況一樣,是一個毫無意義的問題。這不是知識論(我們知道什麼)的問題,而是本體論(它是什麼)的問題。


物理學家說,以這種方式連結起來的粒子,會形成量子纏結。受纏結的性質可以不是位置:兩個粒子可以用相反的方向自旋,但沒辦法確定何者為順時針;或是確定有一個粒子處於激發態,但沒辦法知道是哪一個。粒子的纏結和它們各自的位置、身份以及彼此的作用力無關,原則上,它們大可以是星系兩端的電子與中子。因此,纏結讓物質以一種過去想像不到的方式產生密切關聯。


量子計算與量子密碼學是一種嶄新且潛力無窮的技術,而纏結則是幕後的推手。它們可以解決一些一般電腦實際上解決不了的問題,並且提供不會被竊聽、絕對安全的訊息傳遞方式(參見2005年2月號〈量子傳訊,絕對機密〉與2008年9月號〈用離子做量子計算〉)。


然而,纏結似乎也造成一種極度詭異、強烈違反直覺的「非局部性」現象:不需觸碰(或觸碰連鎖動作的其中一步)就可能在物理上對某物造成影響。非局部性意味著在美國愛荷華州打出一拳,可以打落在德州的人的牙齒,完全不需透過中間各州任何物體的協助,不需動到一顆氣體分子、電線裡的一顆電子或一束閃光。


除了這奇怪無比的特性,非局部性最令人擔心的是它對我們所知的相對論造成嚴重威脅。這個老問題在過去幾年終於得以進入物理研究的殿堂,並成為辯論重心,它或許終將使物理學的根基為之解體、扭曲、重塑、強化甚至崩壞。


實相的根本變革

愛因斯坦對量子力學有許多憂慮,對其機率本質的擔憂(他的名言:「上帝不玩骰子」)只是其中之一。但是唯一讓他願意花時間寫篇論文正式表述反對意見的,和量子纏結的奇特性質有關,這個反對意見是EPR論證(以愛因斯坦和同事波多斯基以及羅森三位作者的姓式縮寫來命名)的核心(參見42頁〈EPR想像實驗〉)。在他們1935年的論文〈量子力學對物理實在性的描述是完備的嗎?〉中,他們的論證嚴謹地回答「不」。


他們的關鍵論證運用到量子力學(或其數學算則)裡的一項特性來預測實驗結果。假設我們要測定一個粒子的位置,而它與另一個粒子有量子纏結,如前所述,它們個別都不會有準確的位置。但當我們得知測量結果後,因為知道了第一個粒子的位置,所以對它的描述自然會改變。然而算則告訴我們,對第二個粒子的描述也得瞬間改變,不管它的距離有多遠,或兩個粒子間是否隔著其他東西。


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2009年第86期4月號】



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