本期文章

狹義相對論的危機

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。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。





量子力學出現在物理學家的眼前時,纏結對世界圖像的建立並沒有造成爭議,只是在愛因斯坦之前,沒有人對它的意涵多做深思。但愛因斯坦看出了纏結不只怪,還很可疑,讓他覺得很詭異,特別是,它似乎具有非局部性。





不論是愛因斯坦、波耳或其他人,當時都沒有心理準備,世界上竟然可能真的發生物理非局部性。在論文裡,愛因斯坦、波多斯基和羅森理所當然地認為量子力學中明顯的非局部性,必然只是表面的,純粹只是某種數學上的異常,或是由於符號的不恰當。無論如何,它必然是算則裡可去除的假象,即使不用任何非局部性的步驟,量子力學也一定能預測實驗結果。





EPR論證基本上是說,如果(一如大家所想)世界上不存在真正物理上的非局部性,而且量子力學對實驗的預測是正確的,那麼量子力學在解釋世界上的各種行為時,一定有漏洞,必然有一部份的東西是它沒辦法處理的。





而波耳只花了一個晚上就對EPR論文做出回應。他急切地寫了一封信反駁,內容完全沒有涉及論文裡扎實的科學論證,而是對「實在性」以及「物理實在性的成份」的定義有意見。他的用語含糊、有時根本就像是神諭,叨叨絮絮地陳述主體與客體的區別,並提到在什麼條件下問問題才有意義,以及人類語言的本質。對波耳來說,科學所需要的是「我們對物理實在性的態度必須有根本的變革」。





不過,波耳倒是同意EPR論文中的一點:物理的非局部性確實存在。他指出,這種非局部性的現象,正給了我們一項理由,說明為何我們必須揚棄EPR論證裡那種古怪且過時的渴望,渴望能從量子力學方程式讀出世界實在性的圖像,那種連續產生、確切存在於我們眼前的圖像。波耳強調,實際上我們不只是透過一副漆黑的眼鏡在看世界,而且眼前的黑影與不確定的景色,就和一般實物同樣真實。





顯然,波耳的文章是以哲學來回應一個清晰的科學質疑。更有意思的是,這個回應被神格化,成了理論物理的真理。從此以後,在這個議題上多花點心思,倒成了叛教的行為。因此,有一段很長的時間,物理學界對「世界到底像什麼?」這個人們內心深處的渴望轉身不顧,而將這個形上學的問題丟給奇幻文學。



即使在今日,這個愛因斯坦留給後世的關鍵部份,仍舊晦澀不清。2007年,伊薩克森(Walter Isaacson)寫的愛因斯坦暢銷傳記裡,只有向讀者擔保,愛因斯坦對量子力學的批評已經獲得解決了。但是這並非事實。


文章投票
今日訂購者 今日訪客:9412
   尚未登入
帳號(email) 密碼
文章總覽 首頁 雜誌清單 訂雜誌免費贈品 商品區
天下雜誌+任選一刊只要2980元 精選雜誌任選三刊2999元 健康休閒類我最優惠!

■注意事項

方案為本站優惠活動,贈品選項為雜誌社活動; 在本站訂閱雜誌的讀者可同時享有。

品名 方案 原價 特價 起訂日期 贈品選項  
科學人雜誌一年12期新訂 (此方案07/26止)已收到款項為 0 2400  

品名 方案 原價 特價 起訂日期 贈品選項  
科學人雜誌一年12期續訂(請提供續訂編號) (此方案07/26止)已收到款項為準 0 2400  


雜誌生活網│ 公司簡介system by Twins
新北市汐止區連峰街7號  電話:02-2642-3366  傳真: 02-8646-2240
V