量子力學(xué)的不完備性，會引發(fā)新的物理學(xué)變革嗎？

timtxu 2019-04-23

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作為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱之一，量子力學(xué)描述了微觀粒子是如何發(fā)生相互作用的。在人類已知的四大基本作用力中，除了引力之外的三個都已經(jīng)在量子力學(xué)中得到統(tǒng)一。

兩個物體靠得越近，它們對彼此施加的作用力就越大。如果它們離得太遠(yuǎn)，作用力就會降到零。這就是所謂的定域性原理，它幾乎在任何情況下都是成立的。但在量子力學(xué)中，定域性原理一直被違背。定域性可能只是一種錯覺，而看穿這種表象可能正是物理學(xué)所需要的。

假設(shè)有兩個物體彼此靠近，它們會根據(jù)電荷和它們之間的距離出現(xiàn)相互吸引或排斥的作用。這可以想象成一個物體產(chǎn)生了能夠影響另一個物體的場，或者兩個物體交換粒子，使它們之間產(chǎn)生推力或拉力。

當(dāng)然，這種相互作用會有一個速度限制，那就是光速。根據(jù)狹義相對論，因為負(fù)責(zé)力傳播的粒子不會以超光速運(yùn)動，速度只能小于等于光速。

另一方面，基于生活經(jīng)驗，我們建立起了因果關(guān)系的概念，這是少有的符合我們直覺的物理學(xué)觀點之一。對于宇宙中的任一個觀測者而言，都有一系列存在于過去和未來的事件。

在相對論中，這些事件要么包含在過去的光錐中，要么包含在未來的光錐中?？梢钥吹健⒏兄交蛞云渌绞接绊懹^測者的事件被稱為因果關(guān)聯(lián)。從過去到未來，信號和物理效應(yīng)都能以光速傳播，但不會超光速。至少，這是人們的現(xiàn)實直覺。

但在量子宇宙中，相對論因果關(guān)系的概念并非那樣簡單或普遍。根據(jù)不確定性原理，在對粒子進(jìn)行測量之前，它們的狀態(tài)是不確定的。在觀測粒子之前，它們處于所有可能狀態(tài)的疊加，這就是所謂的疊加態(tài)。

另外，也可以把兩個量子粒子糾纏在一起，這樣這兩個發(fā)生量子糾纏的粒子就有了相同的量子性質(zhì)。當(dāng)測量其中一個糾纏粒子時，不僅確定了該粒子的狀態(tài)，而且還能同時知道另一個糾纏粒子的狀態(tài)。

上述的量子現(xiàn)象已經(jīng)夠反直覺了，而下述的量子現(xiàn)象更是打破人們的傳統(tǒng)認(rèn)知：假如在時空的特定位置制造出一對糾纏粒子，然后，把它們之間的距離拉開任意遠(yuǎn)，同時保持量子糾纏。如果測量其中一個粒子的狀態(tài)，瞬間就能知道相距遙遠(yuǎn)的另一個粒子的狀態(tài)，這是愛因斯坦所無法認(rèn)同的“幽靈般的超距作用”。

令人困惑的是，直到很久以后，觀測者才能檢測這個信息是否正確，因為光信號從另一個地方傳播到另一個地方需要時間。當(dāng)信號到達(dá)時，對遠(yuǎn)處糾纏粒子狀態(tài)的期望會與測量結(jié)果100%一致。

在這種情況下，觀測者“知道”關(guān)于非本地或者說光錐之外發(fā)生的測量信息。然而，觀測者并不完全不知道那里發(fā)生了什么。盡管沒有任何信息的傳播速度超過光速，但這種測量描述了量子物理中一個令人不安的事實——它本質(zhì)上是一個非定域理論。

但需要注意的是，測量一個糾纏粒子的狀態(tài)并不能告訴我們另一個的確切狀態(tài)，只能知道相關(guān)概率信息。由于沒有辦法超光速發(fā)送信號，只能使用這種非定域性來預(yù)測糾纏粒子特性的統(tǒng)計平均值。

從愛因斯坦到薛定諤再到德布羅意，沒有物理學(xué)家能提出更好的量子力學(xué)改進(jìn)版。不過，現(xiàn)在還有物理學(xué)家正在試圖做到這些。

其中之一是圓周理論物理研究所的物理學(xué)家Lee Smolin，他早在2003年就寫過一篇論文，展示了量子引力的一般概念與量子物理的基本非定域性之間的有趣聯(lián)系。雖然物理學(xué)家還沒有建立起一個成功的量子引力理論，但他們已經(jīng)建立了一些有關(guān)量子引力理論的重要性質(zhì)。