理论物理学

量子对狭义相对论的威胁

像许多量子现象一样,纠缠与我们某些最深刻的直觉背道而驰。但最重要的是,它的非本地性似乎与爱因斯坦的相对论有关。

大卫·阿尔伯特(David Albert)和里夫卡(Rivka Galchen) 科学N°379
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我们的直觉告诉我们,要移动(例如)一块石头,我们必须触摸它。或碰触碰到石头的棍子;或发出通过空气的振动传播到拿着棍子的人的耳朵的命令,然后可以推石头。等等。

从我们对世界的日常经验中产生的直觉就是“局部性”。但是,它被量子力学质疑。这使许多直觉不安,但没有比地方更深刻的了。这种特殊的动荡对阿尔伯特·爱因斯坦的相对论这一特殊的理论(现代物理学的支柱之一)带来了尚未解决的威胁。

让我们回去一点。在量子力学出现之前,实际上从科学探索的最早阶段开始,科学家就认为,原则上可以通过逐一描述其最小组成部分来解释物理世界,更基本。这样,世界的完整历史就可以理解为其组成部分历史的总和。

量子力学与此信念发生了冲突。一组颗粒的实际和可测量的物理特性可能与一个接一个的颗粒的特性总和大不相同。让我们举个例子。根据量子力学,我们可以制备一对粒子,以使它们精确地相距一米,而它们中的任何一个都不具有确定的位置。

遥控动作

量子物理学的通常解释,即所谓的哥本哈根解释(由于上世纪初丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)并从教授传给了几代人),强调了问题不是我们忽略了它们。两个粒子中每个粒子的确切位置,但这些属性根本不存在。想知道两个粒子之一的位置是什么,就像问数字五的婚姻状况是什么一样毫无意义。问题是

它代表了相对论的特殊理论(据我们所知)。近年来,这种古老的关注已成为辩论的中心焦点。它最终可能破坏,破坏,破坏,巩固或重塑物理学的基础。

非本地性至关重要

爱因斯坦对量子力学有很多保留。人们经常提到它的随机性(“上帝不玩骰子”)只是其中之一。但是他正式提出的唯一反对意见,也是他唯一愿意写一篇文章的反对意见,都涉及到量子纠缠的奇异之处。这种异议是现在所谓论点的核心 epr ,以爱因斯坦及其同事鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)和内森·罗森(Nathan Rosen)的三位作者命名。在他们1935年的文章中,“可以将物理描述的量子描述视为完整的吗?” »,经过详细的推理,他们对自己的问题回答“否”。

他们的论点围绕着一种预测实验结果的量子定律。假设我们以这种方式测量粒子A与粒子B纠缠的位置,以使它们都不分别具有精确的位置,如上面的示例所示。当然,当获得测量结果(粒子A的位置)时,我们将更改对粒子A的描述,因为现在我们知道了测量时的位置。但是量子配方还告诉我们改变对粒子B的描述(我们现在知道这距对A所测量的位置一米),并立即更改它,无论介于两者之间。两个粒子。

纠缠是量子力学呈现给物理学家的世界图景中毫无争议的部分。但是,在爱因斯坦之前,对其影响的思考还很少。爱因斯坦发现纠缠不清的东西不仅是奇怪的,而且是可疑的。她对他似乎“鬼”。特别是它似乎是非本地的。

当时,没有人愿意接受世界上存在实际物理非地点的可能性,而不是爱因斯坦,玻尔或任何人。爱因斯坦(Einstein),波多尔斯基(Podolsky)和罗森(Rosen)在他们的论文中认为,量子力学的非局域性必须仅是显而易见的,无论它是某种数学异常还是符号上的笨拙或,至少她是可以丢弃的人工产物-也就是说,他们认为无需借助非局域性就可以获得量子预测。

他们的论文提出了一个论据,表明如果世界上没有真正的物理非局部性(正如每个人都假设的那样),并且如果量子力学的实验预测是正确的,那么量子力学应该离开世界无法触及的某些方面。换句话说,爱因斯坦和他的两位同事得出结论,量子力学无法描述现实的某些元素。

Bohr回复了这篇文章 epr 几乎是一夜之间。他关于发烧的驳斥信没有涉及该文章的任何具体科学论据,而是以“不现实”的术语及其对“现实”的定义进行了攻击(以一种不透明的,有时是含糊的方式)。 “物理现实的要素”。玻尔的答案涉及主体和客体之间的区别,提出问题的合理条件以及人类语言的本质。玻尔认为,科学需要的是“彻底改变我们对物理现实的态度”。

没有现实主义?

尽管如此,玻尔还是费了大笔劲才表示同意这篇文章。 epr 有一点是:当然不可能存在实际的物理非局部性问题。他认为,明显的局部性是放弃本文中如此明显过时和过时的愿望的更多原因。 epr ,以便能够从量子力学方程中读取现实世界的图像,即时时刻刻在我们面前实际存在的图像。玻尔坚持认为,我们不仅可以通过一个黑暗的窗口看到世界,而且这种模糊而又不精确的愿景是现实中可以期望的最好的愿景。

因此,奇怪的是,玻尔对明确的科学关切给出了哲学上的答案。仍然很陌生,玻尔的回应因此被当作是理论物理学的福音。在这些问题上花费更多的时间已成为异端。这就是物理学家社区摆脱其过去的抱负而发现世界的真实面貌的方式,而形而上学的问题则被归咎于文学。

即使在今天,爱因斯坦遗产的这一关键部分仍在阴影中。因此,沃尔特·艾萨克森(Walter Isaacson)在2007年出版的成功的爱因斯坦传记就向读者保证,爱因斯坦对量子力学的批评此后已得到解决。但是,事实并非如此。

经过三十多年或多或少的完全冷漠,第一次重新讨论该论点 epr 于1964年到达美国。从爱尔兰物理学家约翰·贝尔(John Bell)的工作中可以看出,玻尔认为他对量子力学的理解没有错,而爱因斯坦错在哪里是错的,这是错误的。玻尔的理解是错误的。为了理解错误,有必要放弃局部性的想法。

至关重要的问题是,量子力学定律中似乎存在的非局部性是否仅是显而易见的,或者是否更多。贝尔似乎是第一个怀疑这个问题真正含义的人。真正的物理非本地化与仅明显的物理非本地化有何不同?根据他的推理,如果根据实验结果有一套完全本地定律,则与量子定律的预测相同,那么爱因斯坦和玻尔将量子力学的非局部性视为n'是正确的。只是这种特殊形式主义的人工制品。相反,如果没有数学形式主义可以避免非局部性,那么它们一定是真实的物理现象。然后,Bell分析了一个特定的纠缠方案,并得出结论,在数学上不可能存在局部形式主义。因此,物质世界实际上是非局部时期。

非局部性与相对性

这个结论使一切都颠倒了。爱因斯坦,玻尔和其他学者一直认为,量子力学与局域性原理之间的真正不兼容对于量子力学来说是个好兆头。但是贝尔现在表明,局部性不仅与量子力学的抽象理论装置不相容,而且与他的一些经验预测也不相容。

这些实验,尤其是奥赛光学研究所的Alain Aspect从1981年开始进行的实验,毫无疑问地证明了这些预测是正确的。那么,坏消息不是针对量子力学,而是针对局域性原理,因此也可能是针对狭义相对论,因为爱因斯坦的这一理论似乎基于局域性假设(参见'(第56页的方框)。

贝尔的工作的主要反应(至今仍在许多圈子中存在)仍然是误解和困惑的混合体。贝尔表明,任何能够重现对纠缠粒子对的量子力学经验预测的理论都必须是物理非局部的(量子力学本身就是如此)。

该消息实际上被忽略。几乎每个人都满意地说,贝尔所展示的是,任何可以用更符合我们经典形而上学期望的东西代替世界的正统量子图论的理论,都没有满足于整合它。如果它可以重现类型系统的量子预测,那么具有“隐藏变量”(确定性或哲学现实)的理论将必须是非局部的 epr 。人们看了贝尔的著作,是的,但是走错了路。

只有一小部分物理学家设法避免了这种误解,并了解到贝尔的证明与A.的实验相结合。方面,意味着发现世界是非本地的。但是,甚至几乎所有人都认为,所涉及的非本地性并未对狭义相对论构成特殊威胁。

这种观点是这样一种想法的结果,即狭义相对论与不可能以高于光速的速度传输消息紧密相关。因为如果狭义相对论是正确的,我们可以证明没有任何物质使者能够达到比光速还大的速度。根据某些时钟,在发送之前,消息的传输速度快于光波,因此有可能使时间旅行的所有悖论实质化。

早在1932年,匈牙利数学家约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann)便证明了,永远无法利用量子力学的非局域性来立即传输消息。几十年来,几乎所有的理论物理学家都将诺伊曼的证明视为量子非局部性和狭义相对论可以和平共处的保证。

长期隐瞒的困难

贝尔的文章发表后,物理学家又花了30年才终于面对这些问题。 1994年,美国罗格斯大学(Tutgers University)的蒂姆·莫德林(Tim Maudlin)所著的书首次出现了关于量子非局域性和相对论之间兼容性的清晰,详尽,真诚和逻辑完美的讨论。这位科学哲学家的工作表明,这个问题比我们相信的关于即时消息的老套陈词滥调要微妙得多。

T. Maudlin的工作发生在知识环境发生深刻变化的背景下。从1980年代初期开始,玻尔的信念-不再有对亚原子世界的老式的,哲学上的现实描述的控制力-开始放松。出现了许多具体的科学建议,似乎可以很好地描述一种现实类型,至少在狭义相对论的影响可以忽略不计的情况下。这些建议包括物理学家戴维·波姆(David Bohm)的波姆力学(1950年代在英国开发,它启发了贝尔的工作,但至今仍被忽略)。 w 由GianCarlo Ghirardi,Alberto Rimini和Tullio Weber在意大利撰写。

T. Maudlin的书着重于三个重点。他指出,首先,相对论是关于时空的几何结构的断言。不可能以比光更快的速度传输质量,能量,信息或因果关系的影响,所有这些要求本身根本不足以确保对几何学的假设。理论是有道理的。因此,诺伊曼的消息传输证明本身并不保证量子非局部性和狭义相对论是兼容的。

其次,狭义相对论的准确性实际上与光速传输的各种假设机制(无论是质量,能量,信息还是因果关系)完全兼容。例如,在1960年代,哥伦比亚大学的杰拉德·费恩伯格(Gerald Feinberg)发表了一种内部连贯且完全相对论的假设粒子理论,即“短子”,它的传播速度不会比光慢。 ! T. Maudlin发明了其他示例。

因此,仅存在量子非局部性本身并不意味着量子力学不能与狭义相对论共存。

但是,正如T. Maudlin在他的第三点中强调的那样,量子力学中遇到的远处特定的作用类型与G. Feinberg的速球或T. Maudlin的其他示例所说明的完全不同。量子粒子之间的非局部影响并不取决于粒子的空间构型或其固有特性(与上述相对论影响不同),而仅取决于所讨论粒子的量子纠缠与否。人们在量子物理学中遇到的那种非局域性似乎要求绝对同时性,这将对狭义相对论构成非常现实和不祥的威胁。问题就在那里。

这些辩论最近出现了两个新的发现,它们指向不同的方向。第一种方法提出了一种量子非局部性可能与狭义相对论兼容的方法。另一种则是量子力学和狭义相对论相结合,对我们最基本的直觉产生了新的打击。

希望有相对论吗?

第一个结果归功于罗格斯大学的Roderich Tumulka。这位年轻的德国数学家在2006年表明,对纠缠粒子对的量子力学的所有经验预测都可以通过对该理论的巧妙修改来重现。 w (请记住,这是一个在哲学意义上的现实理论,它在许多情况下都再现了量子力学的预测)。尽管不是本地的,但此理论的修改版本 w 与狭义相对论的时空几何完全兼容。

这项工作仍处于起步阶段。尚无人成功写出令人满意的R. Tumulka理论应用于相互吸引或排斥的粒子。他的理论在自然的基本定律中引入了一种新型的非局域性:一种非局域性不仅在空间上,而且在时间上也是如此!为了使用这一理论来确定未来事件的可能性,不仅必须进入世界的当前完整物理状态(按照物理理论的惯例),而且还必须进入过去。这个特性和其他特性令人不安,但事实是R. Tumulka消除了T. Maudlin担心量子非局域性无法与狭义相对论共存的部分原因。

我们一个人(D. Albert)获得的另一项最新结果表明,量子力学和狭义相对论的结合有必要放弃我们的另一项原始信念。我们认为,关于世界的一切言论原则上都可以以故事的形式体现。或者,用更精确,更技术性的术语:可以借助一组无限的命题来表达所有要说的形式,这些命题的形式为“在t1时刻,这就是……的确切物理条件”。世界“,”在时间t2,这是世界的确切身体状况,等等。但是量子纠缠和狭义相对论的时空几何学一起,暗示着世界的物理史对于它而言是无限丰富的。

困难在于,狭义相对论倾向于将空间和时间混合在一起,从而将不同物理系统之间的量子纠缠转换为某种看起来像对应于不同瞬间的物理情况之间发生纠缠的事物。具体而言,在不同的瞬间超出,逃避或与任何情况无关。

该结果与量子力学中的大多数理论结果一样,涉及对称为波函数的数学实体的操纵和分析,该实体是由奥地利物理学家ErwinSchrödinger于80年前提出的,用于定义波函数。量子态。它来自

物理学家从缠结现象,没有确定位置的粒子等推论出的波动函数。波函数是量子力学非局部效应之谜的核心。

但是波动函数到底是什么?物理学基础的专家们正在对此进行辩论。波函数是一个具体的物理对象,某种运动定律,粒子的内部特性还是空间点之间的关系?还是仅汇总我们在所考虑的物理系统上拥有的信息?

神秘波函数

量子物理学的波函数不能在小于具有大量维数的配置空间的空间中数学地表示。如果像某些人认为的那样,我们将波函数视为具体的物理对象,那么我们就必须认真对待这样一个观念,即世界历史不会在我们日常体验的三维空间中发挥出来。 ,也不是在狭义相对论的四维空间中,而是在这个巨大而奇怪的配置空间中,以一种或另一种方式从中出现了三维的幻觉。我们关于非局部性的三维观念也应被理解为一种新兴现象。量子物理学的非局限性可能是我们进入这个更深层次的现实世界的半开窗口。

在爱因斯坦提出狭义相对论的地位之后的一个多世纪,突如其来的问题突然变成了一个彻底开放的问题,并在迅速发展。之所以发生这种情况,是因为物理学家和哲学家终于去探索爱因斯坦与量子力学不同之处的显着点-具有讽刺意味的是爱因斯坦天才的证据。在我们认为他是对的地方,这位上师人数减少了,而在我们认为他是对的地方,那将会是错的。我们可能通过一个窗口看到了宇宙,而这个窗口可能并不像它声称的那样太暗。

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