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宇宙揭秘:它们之间只能以超光速传播,颠覆人类三观的理论!

婴儿们可能数学不好,但他们却惊人的擅长量子力学,至少是在某些特定方面。举个例子,躲猫猫的游戏在婴儿看来十分有趣,因为他们缺乏客体永久性,当你把脸藏在手后时,婴儿不会认为你还存在,而当你把手拿开露出脸时,他们会认为你凭空出现了,这对他们来说当然是非常好玩的事情(对成人来说无聊透顶)。

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但是孩子们很快就会明白,事物并不会无缘无故地出现或者消失,等他们长大后学习物理,客体永久性的概念已经根深蒂固,以至于基础物理都不用再对其进行讲解,而这种人为在我们不看它时宇宙依然存在的思想,是所有物理学中一个最基本的隐含假设,确实有多数的科学理所应当地认为不管我们是否在看它,宇宙始终真实存在,这种宇宙独立于观测者意识而存在的概念在物理学中叫做实在论。

但是量子力学是如此怪异,以至于有科学家在犹豫我们是否应该摒弃这一最基本的前提,这也是量子力学开端时最激烈辩论之一的来源。

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一方面尼尔斯-玻尔坚持认为,不加观测而赋予宇宙以现实是没有意义的,因为在没有测量时,量子系统只存在为一个所有可能属性的模糊混合,我们称之为叠加态。在没有观测时,描述着一叠加态的波函数是对现实的完整描述,我们熟知的确定的物质宇宙只有在观测的时候才有意义,这种时有时无的宇宙是玻尔哥本哈根诠释的核心。

而另一边,阿尔伯特-爱因斯坦坚持认为现实是客观的,现实独立于我们对其的观测之外,他坚持认为波函数乃至量子力学只是不完整,必然存在着所谓的隐变量来反映更加物质实在的现实。

为了说明玻尔想法的愚蠢,爱因斯坦以及玻尔多斯基和罗森提出了一种量子情景,其中显示,要摒弃实在论假设,则必须要摒弃另一个近乎神圣的观念:定域性。定域性认为宇宙中的每一点都只能与其相邻位置发生作用,这是爱因斯坦相对论的基础,它说明了因果链的传播速度不会超过光速。

爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论,简称EPR悖论,引入了量子力学中最神秘的想法之一,量子纠缠。当两个粒子短暂作用后,它们相互影响彼此,使得它们的各属性以某种方式相联系,我们不测量这些粒子就能一直保持其不确定性,量子力学要求我们用单一的组合波函数来描述整个粒子对,这个波函数包含了每个粒子的所有可能状态,这样的两个粒子称为一个纠缠对。

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根据哥本哈根诠释,对某个粒子的任何测量都会自动使整个纠缠波函数坍缩,进而影响另一个粒子的测量结果,这是一种理论上可以在任何距离间瞬间传递的影响,甚至逆时传递。这违背了定域性,甚至有可能违背了因果律,爱因斯坦等人认为这太愚蠢了,他们认为宇宙每个特定点必然是真实而存在的,并且是可知的量,其影响绝不会超过光速。

在当时,玻尔和爱因斯坦间的争论听起来有点哲学意味。但是在1964年,爱尔兰物理学家约翰-斯图尔特-贝尔提出了一个实验来解决这一争论,其中用到了纠缠的电子和正电子对,当一从一个光子中同时产生时,这两个粒子的自旋方向总是与另一个相反。然而,在测量前我们不知道任何粒子的自旋方向,只知道它们旋转方向相反,它们的波函数因此也是纠缠的。对其中一个粒子旋向的测量也就告诉了我们另一个的旋向,不管它们之间的距离有多远。

但是在量子力学中,测量实际上会影响你所测量的东西。拿量子旋向来说,测量的影响尤其诡异,我们是通过转轴来定义旋向的,其转轴可以指向任何方向,但为了测量旋向,我们需要选择一个方向来放置测量仪器,我们总是发现被观测的量子旋向与我们所选的测量方向是对齐的,如果我们选择垂直方向测量,那么旋向将会是向上或向下;如果我们水平地测量,旋向则是向左或向右,测量迫使被测粒子的旋向对齐。

但是这种测量又是怎么影响其纠缠对象的旋向的呢?

其答案将会解决玻尔爱因斯坦之争。情形一,爱因斯坦是对的,设想每个粒子在所有时刻的旋向测量结果,都在其产生的时候就作为隐变量独立存在于其自身内部,之后我们对其中一个粒子的任何操作都不会对另一个粒子产生影响。当我们之后再测量两个粒子的旋向,两者的结果有一定的对应关系,因为它们之间曾经存在关联,但与我们测量方向的选择没有关联(也就是说两粒子旋向的测量结果可能相反也可能相同)。

情形二,玻尔是对的,在产生与被测量之间电子和正电子只以包含所有可能状态的波函数形式存在,这样的话,对某一个粒子旋向的测量,会使整个波函数坍缩为具体的固定值,两个粒子于是在我们所选择的测量方向上显示为相反的旋向,这样的话,我们为前一个粒子的测量方向与之后测量的另一个粒子的实测旋转方向会存在关联(也就是说两者的旋向结果必然相反),这也正是让爱因斯坦无比头疼的幽灵般的超距作用。

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因此约翰-斯图尔特-贝尔得出了一系列可观测的结果,即所谓的贝尔不等式,以期望证明爱因斯坦是正确的,或者量子力学是需要定域隐变量的。

但如果一个纠缠实验违背了贝尔不等式,那么定域实在论也被违背。实验很难进行,因为纠缠量子态很难产生,更难维持,任何作用都会破坏纠缠状态。

但是在上世纪80年代,法国物理学家阿兰-阿佩斯成功了,他使用的不是自旋纠缠的电子和正电子对,而是偏振纠缠的光子对,偏振就是光子电磁场的指向,其原理是相似的。

阿佩斯发现,对一个光子选择的偏振测量方向,与其纠缠对象最终测得的偏振方向间存在着关联,贝尔不等式被违背了!这个实验甚至经过设计,使得纠缠光子之间的影响只能以超光速传播(也就是说,最低速度都比光速还要快)!在那之后,众多的实验在不断增大的尺度上验证了这一结果,科学家们甚至在数公里的尺度上观察到了那种瞬时影响。

现在我们已经彻底确认贝尔不等式被违背了,也说明了波函数不可能存在定域隐变量。那么这是否证实了哥本哈根诠释,并同时否定了定域性和实在性呢?我们真的生活在一个时有时无的宇宙,在我们不看它是旧消失于量子抽象之中?

那些纠缠实验的结果似乎违背了定域实在论,但这也可能只是违背了定域性或实在性其中之一。事实上,贝尔博士自己认为违背了他的不等式,否定的只是定域性,而实在性可以被保留。

非定域性要求纠缠粒子间瞬时影响,这在任何接受爱因斯坦相对论的人听来都是亵渎。然而,非定域性与相对论实际上是可以同时存在的。

相对论要求因果律维持,即信息不能超光速传播,而所有那些纠缠实验中都没有真正允许信息在粒子间传输,只是在测量后,且测量结果相互比较之后才可能看到纠缠粒子间的影响,宇宙似乎可以避免了信息超光速或逆时传递的悖论!

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哥本哈根诠释仍然与所有量子观测结果都相符,而玻尔那时有时无的宇宙可能正是我们生存的宇宙。但是看,只要摒弃定域性,实在论及隐变量也是合理的。比如,纠缠的粒子可能由爱因斯坦-罗森桥(虫洞)相连,虫洞允许远距离的瞬时作用。甚至还有实在性与定域性都不用牺牲的解释,那就是多重宇宙诠释,相信很多宇宙爱好者都有所了解!


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