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宇宙揭秘:它們之間只能以超光速傳播,顛覆人類三觀的理論!
2023/09/21


嬰兒們可能數學不好,但他們卻驚人的擅長量子力學,至少是在某些特定方面。舉個例子,躲貓貓的游戲在嬰兒看來十分有趣,因為他們缺乏客體永久性,當你把臉藏在手后時,嬰兒不會認為你還存在,而當你把手拿開露出臉時,他們會認為你憑空出現了,這對他們來說當然是非常好玩的事情(對成人來說無聊透頂)。

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但是孩子們很快就會明白,事物并不會無緣無故地出現或者消失,等他們長大后學習物理,客體永久性的概念已經根深蒂固,以至于基礎物理都不用再對其進行講解,而這種認為在我們不看它時宇宙依然存在的思想,是所有物理學中一個最基本的隱含假設,確實有多數的科學理所應當地認為不管我們是否在看它,宇宙始終真實存在,這種宇宙獨立于觀測者意識而存在的概念在物理學中叫做實在論。

但是量子力學是如此怪異,以至于有科學家在猶豫我們是否應該摒棄這一最基本的前提,這也是量子力學開端時最激烈辯論之一的來源。

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一方面尼爾斯-玻爾堅持認為,不加觀測而賦予宇宙以現實是沒有意義的,因為在沒有測量時,量子系統只存在為一個所有可能屬性的模糊混合,我們稱之為疊加態。在沒有觀測時,描述這一疊加態的波函數是對現實的完整描述,我們熟知的確定的物質宇宙只有在觀測的時候才有意義,這種時有時無的宇宙是玻爾哥本哈根詮釋的核心。

而另一邊,阿爾伯特-愛因斯坦堅持認為現實是客觀的,現實獨立于我們對其的觀測之外,他堅持認為波函數乃至量子力學只是不完整,必然存在著所謂的隱變量來反映更加物質實在的現實。

為了說明玻爾想法的愚蠢,愛因斯坦以及玻爾多斯基和羅森提出了一種量子情景,其中顯示,要摒棄實在論假設,則必須要摒棄另一個近乎神圣的觀念:定域性。定域性認為宇宙中的每一點都只能與其相鄰位置發生作用,這是愛因斯坦相對論的基礎,它說明了因果鏈的傳播速度不會超過光速。

愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論,簡稱EPR悖論,引入了量子力學中最神秘的想法之一,量子糾纏。當兩個粒子短暫作用后,它們相互影響彼此,使得它們的各屬性以某種方式相聯系,我們不測量這些粒子就能一直保持其不確定性,量子力學要求我們用單一的組合波函數來描述整個粒子對,這個波函數包含了每個粒子的所有可能狀態,這樣的兩個粒子稱為一個糾纏對。

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根據哥本哈根詮釋,對某個粒子的任何測量都會自動使整個糾纏波函數坍縮,進而影響另一個粒子的測量結果,這是一種理論上可以在任何距離間瞬間傳遞的影響,甚至逆時傳遞。這違背了定域性,甚至有可能違背了因果律,愛因斯坦等人認為這太愚蠢了,他們認為宇宙每個特定點必然是真實而存在的,并且是可知的量,其影響絕不會超過光速。

在當時,玻爾和愛因斯坦間的爭論聽起來有點哲學意味。但是在1964年,愛爾蘭物理學家約翰-斯圖爾特-貝爾提出了一個實驗來解決這一爭論,其中用到了糾纏的電子和正電子對,當從一個光子中同時產生時,這兩個粒子的自旋方向總是與另一個相反。然而,在測量前我們不知道任何粒子的自旋方向,只知道它們旋轉方向相反,它們的波函數因此也是糾纏的。對其中一個粒子旋向的測量也就告訴了我們另一個的旋向,不管它們之間的距離有多遠。

但是在量子力學中,測量實際上會影響你所測量的東西。拿量子旋向來說,測量的影響尤其詭異,我們是通過轉軸來定義旋向的,其轉軸可以指向任何方向,但為了測量旋向,我們需要選擇一個方向來放置測量儀器,我們總是發現被觀測的量子旋向與我們所選的測量方向是對齊的,如果我們選擇垂直方向測量,那麼旋向將會是向上或向下;如果我們水平地測量,旋向則是向左或向右,測量迫使被測粒子的旋向對齊。

但是這種測量又是怎麼影響其糾纏對象的旋向的呢?

其答案將會解決玻爾愛因斯坦之爭。情形一,愛因斯坦是對的,設想每個粒子在所有時刻的旋向測量結果,都在其產生的時候就作為隱變量獨立存在于其自身內部,之后我們對其中一個粒子的任何操作都不會對另一個粒子產生影響。當我們之后再測量兩個粒子的旋向,兩者的結果有一定的對應關系,因為它們之間曾經存在關聯,但與我們測量方向的選擇沒有關聯(也就是說兩粒子旋向的測量結果可能相反也可能相同)。

情形二,玻爾是對的,在產生與被測量之間電子和正電子只以包含所有可能狀態的波函數形式存在,這樣的話,對某一個粒子旋向的測量,會使整個波函數坍縮為具體的固定值,兩個粒子于是在我們所選擇的測量方向上顯示為相反的旋向,這樣的話,我們為前一個粒子的測量方向與之后測量的另一個粒子的實測旋轉方向會存在關聯(也就是說兩者的旋向結果必然相反),這也正是讓愛因斯坦無比頭疼的幽靈般的超距作用。

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因此約翰-斯圖爾特-貝爾得出了一系列可觀測的結果,即所謂的貝爾不等式,以期望證明愛因斯坦是正確的,或者量子力學是需要定域隱變量的。

但如果一個糾纏實驗違背了貝爾不等式,那麼定域實在論也被違背。實驗很難進行,因為糾纏量子態很難產生,更難維持,任何作用都會破壞糾纏狀態。

但是在上世紀80年代,法國物理學家阿蘭-阿佩斯成功了,他使用的不是自旋糾纏的電子和正電子對,而是偏振糾纏的光子對,偏振就是光子電磁場的指向,其原理是相似的。

阿佩斯發現,對一個光子選擇的偏振測量方向,與其糾纏對象最終測得的偏振方向間存在著關聯,貝爾不等式被違背了!這個實驗甚至經過設計,使得糾纏光子之間的影響只能以超光速傳播(也就是說,最低速度都比光速還要快)!在那之后,眾多的實驗在不斷增大的尺度上驗證了這一結果,科學家們甚至在數公里的尺度上觀察到了那種瞬時影響。

現在我們已經徹底確認貝爾不等式被違背了,也說明了波函數不可能存在定域隱變量。那麼這是否證實了哥本哈根詮釋,并同時否定了定域性和實在性呢?我們真的生活在一個時有時無的宇宙,在我們不看它時就消失于量子抽象之中?

那些糾纏實驗的結果似乎違背了定域實在論,但這也可能只是違背了定域性或實在性其中之一。事實上,貝爾博士自己認為違背了他的不等式,否定的只是定域性,而實在性可以被保留。

非定域性要求糾纏粒子間瞬時影響,這在任何接受愛因斯坦相對論的人聽來都是褻瀆。然而,非定域性與相對論實際上是可以同時存在的。

相對論要求因果律維持,即信息不能超光速傳播,而所有那些糾纏實驗中都沒有真正允許信息在粒子間傳輸,只是在測量后,且測量結果相互比較之后才可能看到糾纏粒子間的影響,宇宙似乎可以避免了信息超光速或逆時傳遞的悖論!

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哥本哈根詮釋仍然與所有量子觀測結果都相符,而玻爾那時有時無的宇宙可能正是我們生存的宇宙。但是看,只要摒棄定域性,實在論及隱變量也是合理的。比如,糾纏的粒子可能由愛因斯坦-羅森橋(蟲洞)相連,蟲洞允許遠距離的瞬時作用。甚至還有實在性與定域性都不用犧牲的解釋,那就是多重宇宙詮釋,相信很多宇宙愛好者都有所了解!

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