量子纠缠是超距作用吗,为什么要摒弃超距作用而引入电磁场?
在物理学里,我们定义了许多量和概念,我们从观测中寻找量的规律,而超距作用是一个比较重要的概念,它是指分别处于空间两个超远距离区域的两个物体彼此之间的非局域性的相互作用。首先超距作用的瞬时发生的。基于这个概念,可以解释为在相距很远处两个物体进行了相互作用,这时假设移动其中一个物体,将瞬时导致另外一个物体的状态变化。
牛顿时期的力学
在早期的牛顿引力理论中,超距作用几乎是公认的定律。 在1686年前后,艾萨克牛顿发表了他根据开普勒行星运动定律而总结得到的万有引力定律,一举开创了现代力学的先河。在当时,万有引力定律只提到两粒子相互直接作用于对方的引力,它并未解释引力传递过程,而且这条定律当中是没有时间量的,这意味着引力的作用是与时间无关的。这也暗示着牛顿力学的相互作用都是瞬时,超距的。
因为牛顿引力理论不能给出任何物质间引力相互作用的媒介和解释,它不管二者距离有多远,它比如说假设太阳瞬间消失了,那么也将在一瞬间影响到地球的运行轨迹。从牛顿力学的观点可以看到,它是一种绝对的时空观,超距作用被视为一种绝对的现象,与空间时间无关,是上帝在背后推动实现了这一切。
如今看来,牛顿的引力定律支持着超距作用的观点,但是牛顿本人其实是并不认为引力是超距作用的。
当时的牛顿却是倾向于“以太观点”的,他在给他的好朋友R.玻意耳的信中表示,必定存在某种物质能够解释引力的作用机制,自己最终一定能够它。
他曾在一封信中曾写道:
“很难想象没有别种无形的媒介,无生命感觉的物质可以毋须相互接触而对其他物质起作用和产生影响。一个物体可以通过真空超距地作用在另一个物体上而不需要任何其他介质,它们的作用和力可以通过真空从一个物体传递到另一个物体,这种观点在我看来是荒唐之极,以致我认为没有一个在哲学上有足够思考力的人会同意这种观点。”
如今我们知道,牛顿的万有引力定律只是广义相对论的低速近似理论,它没有涵盖时间量以及相对性原理。说到这里,牛顿和爱因斯坦他们的理论更替给我带来了一个启发。 其实这里隐藏着一个很重要的观点,就是人们愿意相信物理法则在他们适用的范围内是正确的,从主观上考虑,我们只需要能够工作的不错的模型解释,而对于这个理论而言是不是终极理论,我们无法证明,我们只能从实验数据去对比它的精准性。所以未来也将可能出现比广义相对论更好的理论,这取决于我们需要精确到何种地步。
虽然牛顿后来也试图寻找引力的产生原因,但可惜的是并未获得成功,因为在他那个时代,连电磁学都还没诞生,连场的基本概念都没有,更别提相对性原理了,而那时候的人们还在讨论光的现象、光是什么,当然这一切的解决还是爱因斯坦完成的,但是牛顿在那个时代的伟大是毋庸置疑的。
超距作用被电磁学终结?
由于牛顿的万有引力定律在解释太阳系内的星体运动获得了一系列的巨大成功,甚至在如今我们还在使用牛顿力学计算航天数据。于是,超距作用的观点被移用到物理学其他领域(电磁)当中,在整个18世纪到19世纪初,超距作用的观点在物理学中还是处于统治地位的。
法国物理学家库仑发现了在电磁领域中:假定电荷或磁体是超距地彼此吸引或排斥,而不受其间介质的任何影响。在当时还未发现电磁波的存在,物理学家们都认为电磁作用的不需要时间的。到了19世纪快结束的时候,虽然物理学家们对以太的探索却未有任何实际结果,但是超距作用观点因之流行。直到1887年迈克尔逊莫雷实验才终结了以太假说。
而能和牛顿比肩的麦克斯韦在1873年出版他的大作《论电和磁》,这也被尊为继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的一部最重要的物理学经典。他将电磁场的概念以一组简洁漂亮的数学方程式归纳之,并推导出以有限速度传播的电磁波,其波速就是光速,证明了光其实就是一种电磁波。
1887年,而当赫兹证实电磁波时,人们还以为这是以太存在的证据,其实并不是这样。麦克斯韦的电磁理论是以接触作用为基础的,它不是瞬间产生的,而是通过电磁波进行相互作用的,而电磁波具有光速,显然传递过程需要时间。连续的场同质点一起看来都成为了物理实在的代表,到20世纪初,电磁场概念作为一种终极实体已经被普遍接受了。
至此,“场”这种物质实体完全代替了假想的以太。超距作用的观念在电磁学领域被物理学家们抛弃了,但是在引力理论中,它仅仅只是动摇了半壁江山而已,直到1905年爱因斯坦的出现。
相对论终结了超距作用
1905年,爱因斯坦发表了《论动体的电动力学》,这篇刊登在德国《物理年鉴》的论文掀开了新时代崭新的时空观,它建立了狭义相对论。并指出真空中的电磁波(光速)是一切物理作用传播速度的极限,这其实就是等于在整个物理学中排除了瞬时超距作用的可能性。
1916年,爱因斯坦建立了广义相对论,首先提出了引力波(已被证实存在)、引力辐射的概念。引力辐射也是以光速传播的,这延伸出了引力子的概念,目前在粒子的标准模型中,它还并未被找到。爱因斯坦的引力理论是时空局域几何性质的表现。虽然广义相对论是爱因斯坦创立的, 但是非欧几何的一般数学理论是由高斯于1827年完成的。而在1854年,高斯的学生黎曼将这门新的几何学推广到高维空间,建立起任意维度的弯曲空间的几何学基础,被称为黎曼几何,它在数学上是高度抽象的。
到了这里,基本已经是20世纪初期的阶段了,这时蓬勃发展的当然是量子论,代表人物就是普朗克、波尔、波恩、薛定谔、海森堡、狄拉克、泡利这些人。
量子纠缠让超距作用死灰复燃?
在量子力学里,当几个粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质,我们只能描述整体系统的性质,则称这些现象为量子纠缠。在经典力学里,我们是找不到类似的现象的。
1935年,爱因斯坦、罗森、波多尔斯基合作完成论文《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的?》。这是最早探讨量子力学的EPR佯谬表述,它试图借着一个思想实验来论述量子力学的不完备性质。 因为量子纠缠似乎违反在相对论中对于信息传递所设定的光速极限的设定。
这个思维实验可以这样表述:考虑两个自旋为 1/2的粒子A和B构成的一个体系,在一定的时刻后,使A粒子和B粒子完全分离开来,不再具有相互作用。而当我们测得 A自旋的某一分量后,根据角动量守恒定律,就能确定地预言 B在相应方向上的自旋值,从而无须测量B就预言了B粒子的自旋值。 爱因斯坦称这样的量子纠缠拥有着“鬼魅般的超距作用”。
观点
其实我们考虑一下,这其中并没有存在信息的传递,B粒子的自旋值是在A处被预言的,只是相对于B粒子本身而言,它自己知道了自己的自旋值。因为量子态不能以有限速度坍缩,而是在瞬时之间完成坍缩的,这种作用几乎是瞬间完成的。
其实这并不违背物质实体间信息的传递,相较于经典尺度,在量子层面,我反而更觉得这一切像是上帝在背后操纵了一般。