1935年,爱因斯坦提出了一个思想实验,试图证明量子力学违背了物理学中最神圣的原则之一——没有任何事物能超越光速。
当时的物理学家普遍认为他错了,他们觉得56岁的爱因斯坦已经步入老年,过了创造力的巅峰期,只是无法接受那套过于激进的新物理学理论。
人们不得不承认,某种类似"超光速作用"的东西正在从一个地方传递到另一个地方。这是关于物理学中最诡异、最容易被误解的实验之一的故事,它甚至可能是我们生活在多重宇宙之中的最有力证据。
设想一下,如果太阳突然消失,我们要过多久才会察觉,地球又会在何时脱离轨道飞入太空?牛顿的理论认为,引力可以在任意距离上瞬时作用。
因此一旦引力发生变化,我们应立即感受到。可牛顿本人对此深感不安,他写道:"一个物体能够穿越距离作用于另一个物体,在我看来是巨大的荒谬,任何具备正常思考能力的人都不会陷入这种想法。
"要理解这种荒谬感有多深,不妨先想想我们所处的宇宙有多大。
仅仅是可观测宇宙就存在着上万亿个星系,银河系只是其中之一,而银河系又拥有数千亿个恒星系;在其中一个名为"太阳系"的恒星系里,才漂浮着一颗蓝色的行星,那就是地球。
旅行者1号探测器曾在距离地球大约60亿公里的位置回望家园,画面里,地球不过是一粒黯淡的尘埃。牛顿所不安的那种"瞬时作用",如果真的存在,就意味着这粒尘埃可以在同一瞬间被宇宙尽头的某个变化拉扯——这样的图景,本能地让人觉得哪里出了问题。
到了1905年,爱因斯坦意识到,超距作用不仅荒谬,还会导致彻底的悖论。爱因斯坦发现,运动速度不同的观察者对于"事件何时发生"会产生不同的判断。
假设你看到两件事同时发生,一位以高速经过你身边的观察者则会看到不同的情形——对他而言,其中一件事先发生,且两种视角同样合理。但在引力的问题上,这种不一致会导致灾难性后果。
假设你看到太阳消失和地球飞离同时发生(按牛顿的预言)。那么另一位观察者则会看到不可能的画面:他会看到地球先飞了出去,而此时太阳还在原地,本应继续拉住地球。
对他而言,因果关系被颠倒了。摆脱这个悖论的唯一办法,就是抛弃最初的假设,即引力不能是瞬时的。
爱因斯坦花了整整十年时间才解决了这一问题,并在此过程中彻底重塑了人类对引力的理解。引力源于时空的弯曲。
当引力发生变化时,最先受影响的只是局部时空,然后这道涟漪向邻近区域扩散,再逐步传播到更远的地方,最终传到我们身边。这套引力理论是"局域的",因为效应以光速在空间中传播,而非瞬时作用。
局域性由此被视为宇宙最根本的守则之一:任何影响都只能一段一段地穿过空间,没有任何东西可以在两个遥远的地点之间瞬间传递信号。
爱因斯坦相信,这条规则不仅适用于引力,也应适用于所有物理定律。
按照量子力学的说法,两颗粒子的自旋并没有确定的值,直到有人去测量。可一旦其中一颗被测出"朝上",另一颗立即"知道"自己必须是"朝下",无论它们相隔多远。
爱因斯坦嘲讽这种现象是"鬼魅般的超距作用"。他坚信这只能说明量子力学不完备,粒子背后一定藏着某种"隐变量",事先就决定了测量结果,只不过我们还没发现罢了。
这份质疑被搁置了将近三十年,直到1964年,物理学家约翰·贝尔提出了一个数学上的判决方案——著名的贝尔不等式。他证明:如果宇宙真的是局域的,并且粒子的性质在测量前就已经存在,那么实验中某些相关性的数值就绝不可能超过某个上限。
真正的实验在此后陆续被完成,从1970年代起一直做到今天,越做越精细,把各种漏洞一个个堵上。结果始终一致——贝尔不等式被明确地违反了。
粒子之间的相关性强到必须放弃"局域实在论"中的某一条,要么放弃"测量之前就有确定值",要么放弃"没有比光速更快的联系",两者必须舍其一。
这就是那个让人难以接受的结论:某种类似作用的东西,确实以超越光速的方式在一对纠缠粒子之间起了作用。
它不能被用来传递可控的信息,因此并没有直接违反相对论中"信号不可超光速"的条款,但它触碰到了物理学更深层的骨架。
不过,早在1966年,科学家就发现,除了光速之外,宇宙里还有另一种截然不同的速度限制,被称为"GZK截断"。
它的机制更为具体:以质子为例,其GZK极限约为5×1019电子伏特,一旦一个在宇宙空间中飞行的质子所对应的能量超过了这个值,它就会与充斥整个宇宙的微波背景辐射光子发生相互作用,生成有静止质量的Π介子,从而损失能量、被迫减速。
换句话说,即便理论上可以"无限接近光速",宇宙自身的背景辐射也会一步步把这类高速粒子拽回来。
这也是"宇宙速度极限"的另一种面孔——不是逻辑上的边界,而是物理环境施加的天花板。
有没有一种办法,既保留量子力学的所有惊人预测,又不必接受"超光速作用"?答案是有的,而且这个答案代价不小。
纠缠态可视为"电子朝上、正电子朝下"与"电子朝下、正电子朝上"两种态的叠加。在哥本哈根诠释中,一旦你测量粒子并得到唯一结果(比如"正"),叠加的另一部分就塌缩消失,然而正是"测量塌缩"造成了非局域性。
为什么不干脆抛弃塌缩这一概念呢?这就是量子力学的"多世界诠释"所提议的:当你测量粒子时,你并不把它塌缩为唯一结果,两种结果都发生,两个平行版本的"你"分别看到不同的结果。你与被测粒子发生了纠缠,因为你的状态取决于粒子的状态。
这听起来古怪,但这一诠释有一个巨大优势:当你的朋友准备测量她的电子时,你的正电子不必匆忙告知电子答案,因为电子已经存在两个版本,恰好各自对应她的两个版本。
EPR实验根本不需要超光速通信。可这怎么可能?贝尔定理不是证明两颗粒子必须超光速通信吗?
关键在于,贝尔的证明假设了"每次测量只有一个结果",而多世界诠释中恰恰不成立。
因此严格说来,那份证明在多世界情境下并不适用。
那么多世界是局域的吗?某种意义上并不是——就像哥本哈根一样,纠缠对可跨越巨大距离仍共享其态。
但它与哥本哈根不同的是:这些远距离的纠缠粒子不会以超光速影响彼此。多世界诠释遵守爱因斯坦的宇宙速度极限。
可为了恢复局域性,就得接受"存在无数个平行宇宙中的自己",这真的值得吗?其实,局域性并不是多世界诠释日益流行的唯一理由。
有人偏爱多世界,是因为哥本哈根总让人不安——一旦细说测量究竟发生了什么,就必须面对"什么算是测量"这样的问题,答案总透着几分武断。
相比之下,多世界主张"每当两个量子粒子相互作用,它们的波函数就融为一体、相互纠缠",逻辑上更自洽。
多世界诠释最大的问题在于人们难以接受它所带来的"无穷",但这并非反对它的充分理由——难以想象并不意味着它不是真实的。如果多世界诠释是正确的,一切都将改变,量子力学与相对论的冲突将烟消云散。
数十年来,物理学家一直试图把量子力学与广义相对论统一,构建量子引力理论。
也许我们之所以屡屡失败,正是因为我们试图将相对论与一种非局域的理论强行联姻。而若量子力学最终被证明是局域的,那么爱因斯坦关于"局域地描述实在"的梦想,或许并未真正破灭。
除了光速之外,宇宙中真的还存在一种速度限制吗?答案是肯定的。
一方面,是GZK截断这种由背景辐射施加的物理阻力,让"无限接近光速"在现实里几乎不可能。另一方面,则是更深层的那道墙——它藏在纠缠背后的诠释之争里。
要么承认存在某种超光速的"鬼魅联系",让实在本身变得非局域;要么接受宇宙其实分裂成无数个平行版本,每一次测量都在悄悄增添新的世界。
两条路都通向对常识的彻底改写,而无论选哪一条,人类真正要面对的障碍,从来都不只是速度本身,而是我们对"实在"到底是什么的认知边界。
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