愛因斯坦如何揭示宇宙的奇異“非定域性”

我們認為宇宙是一個有序的廣闊空間，事件發生在絕對位置，這是一種錯覺

20世紀90年代初，當我第一次瞭解到被稱為非定域性的量子現象時，我還是一個研究生。但我不是從我的量子力學教授那裡聽說的：他不屑於提及它。在當地一家書店瀏覽時，我拿起了一本新出版的作品，《有意識的宇宙》，它以其“以前沒有任何發現比非定域性更挑戰我們對日常現實的感知”的說法讓我震驚。這種現象有禁果的味道。

在日常口語中，“定域性”是一個略顯自命不凡的詞，用來指代社群、城鎮或其他地方。但它的原始含義，可以追溯到17世紀，是關於“地方”這個概念本身。它的意思是，一切事物都有一個地方。你總是可以指著一個物體說：“它在這裡。” 如果你不能，那東西一定不是真實存在的。如果你的老師問你的作業在哪裡，你說它不在任何地方，你就需要解釋一下了。

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我們所體驗的世界擁有定域性的所有品質。我們對地方以及地方之間的關係有強烈的感知。我們感受到與我們所愛之人分離的痛苦，以及離我們想要影響的事物太遠的無力感。然而，物理學的多個分支現在表明，在更深層次上，可能根本不存在地方這種東西，也不存在距離這種東西。物理實驗可以將兩個粒子的命運捆綁在一起，使它們的行為就像一對魔法硬幣。如果你拋擲它們，每個硬幣都會正面或反面朝上——但總是與其夥伴的同一面朝上。它們以協調的方式行動，即使沒有任何力穿過它們之間的空間。這些粒子違反了定域性——它們超越了空間。

顯然，大自然已經達成了一種奇特而微妙的平衡：在大多數情況下，它遵守定域性，而且如果我們想要存在，它必須遵守定域性，但它也暗示了在其基礎上存在非定域性。對於研究它的人來說，非定域性是所有物理學謎題之母，它與物理學家如今面臨的廣泛的謎團有關——不僅僅是量子粒子的怪異性，還包括黑洞的命運、宇宙的起源和自然的本質統一性。

在20世紀的大部分時間裡，量子糾纏——粒子之間奇特的同步性——是唯一被提及的非定域性型別。這是阿爾伯特·愛因斯坦稱之為“幽靈般的遠距作用”的現象。但物理學家逐漸意識到，其他現象也令人懷疑地具有幽靈般的性質。

例如，愛因斯坦建立了他的廣義相對論——它提供了我們對引力的現代理解——其明確目的是從物理學中消除非定域性。艾薩克·牛頓的引力是超距作用的，彷彿是魔法，而廣義相對論則透過表明時空曲率，而不是一種看不見的力量，產生了引力，從而折斷了魔杖。但無論愛因斯坦的意圖如何，當物理學家開始使用他的理論時，他的理論開始揭示出不同的方面。引力的運作方式原來充滿了非定域現象。

我們所說的“這裡”是什麼意思

秋天的一天，加州大學聖巴巴拉分校的物理學家唐·馬羅夫和我坐在他校園的學生中心裡，吃著沙拉，眺望著瀉湖，談論著引力。但是等等。我怎麼才能真正知道我是在秋天某天的加州大學聖巴巴拉分校學生中心？定域性原理認為，我有一個位置，學生中心有一個位置，當這兩個位置重合時，我就在那裡。我手機上的GPS座標與中心的座標相符，日期與牆上的日曆相符。但這個看似簡單的程式經不起推敲。“要問一個關於‘這裡’的問題，我們應該知道我們所說的‘這裡’是什麼意思，而這並不容易做到，”馬羅夫說。

一個明顯的複雜之處在於，加利福尼亞州在地質構造上是活躍的。聖巴巴拉所在的板塊正以每年幾英寸的速度向西北方向移動，相對於北美其他地區和國家經緯度網格。因此，學生中心沒有固定的位置。如果我幾年後回來，去到相同的座標，我會發現自己坐在那個瀉湖裡。地圖公司必須定期重新勘測構造帶，以考慮到這種運動。

你可能會認為，學生中心仍然有一個由空間本身定義的絕對位置。然而，空間和時間並不比構造板塊更穩定。它們會滑動、隆起和彎曲。當一個巨大的物體移動時，它會在時空連續體中發出震動，重塑它。自助餐廳的位置可能會因此而改變，即使構造板塊保持不動。根據愛因斯坦的廣義相對論，這個過程，而不是牛頓神秘的超距作用，是引力如何從一個地方傳遞到另一個地方的。就像地質震動一樣，引力波以一定的有限速度傳播——即光速。

為了理解時空的重塑，我們的思想必須克服一個抽象的障礙。時空不像地質景觀那樣有形。我們看不到它，更不用說辨別它的形狀了。然而，我們捕捉到間接的瞥見。在空間中自由移動、不受其他物體阻礙的物體就像雨滴劃過汽車擋風玻璃，揭示玻璃的曲線：它們描繪出空間的形狀。例如，天文學家經常觀察到從平行開始的星光，經過太陽等巨大的質量塊附近，然後在之後相交。描述這種效應的教科書和文章通常說太陽的引力彎曲了光線，但這不太正確。光線儘可能地直。太陽真正做的是改變了幾何規則——也就是說，扭曲了空間——使得平行線可以相交。

空間和時間的變形不僅僅是奇異物理學的範疇。它支配著任何墜落物體的運動。棒球、酒杯、昂貴的智慧手機：從你手中滑落的東西會加速向地面墜落，因為地球的質量扭曲了時間。（空間的扭曲在這些情況下只起次要作用。）“向下”是由時間流逝較慢的方向定義的。海平面上的時鐘比德納裡峰頂上的時鐘走得慢；綁在你腳踝上的手錶會落後於你手腕上的手錶。用人類的尺度來說，偏差很小——最多隻有萬億分之一——但足以解釋墜落物體加速的速度。當你看到蘋果從樹上掉下來時，你是在觀看它在時間的輪廓上滾動。

相對論的啟示

儘管時空形狀的易變性解釋了牛頓所說的非定域性，但它產生了一種新的變體。它源於相對論的核心創新：在時空之外沒有地方這種東西，沒有外部或絕對的標準來判斷它。這個看似不言自明的命題具有非凡的後果。這意味著時空不僅會扭曲，而且還會失去我們賦予它的許多品質，包括定義位置的能力。

馬羅夫否認了上帝視角的觀點，他說，“這非常微妙，而且，說實話，愛因斯坦在很長一段時間內都沒有理解它。” 先前對空間的理解，包括牛頓的，甚至包括愛因斯坦自己早期的想法，都認為空間具有固定的幾何形狀，這會讓你想象升到空間之上並俯視它。事實上，愛因斯坦一度認為必須存在一個絕對的參考點，否則空間的形狀就會變得模糊不清。

為了理解為什麼會出現模糊性，請考慮我們在日常生活中如何體驗地理。我們可能會認為景觀有一個獨特的“真實”形狀——谷歌地球顯示的那樣——但在實踐中，形狀是由嵌入該景觀的體驗定義的，而這種體驗可能會有所不同。一個考試遲到的學生、一個跛著扭傷的腳踝的運動員、一個與同事深入交談的教授和一個衝著行人喊叫讓路的腳踏車手會感知到非常不同的校園。對一個人來說很短的距離，對另一個人來說可能顯得是漫長的穿越。當我們避開高高在上的視角時，我們就無法再對什麼是“在哪裡”做出明確的陳述。

在1915年的頓悟中，愛因斯坦意識到模糊性不是漏洞，而是一個特性。他注意到，無論如何，我們永遠不會觀察到地方具有絕對位置。相反，我們根據物體相對於彼此的排列方式來分配位置，而且——至關重要的是——這些相對位置是客觀的。每個在大學校園裡閒逛的人都會認識到地方的基本排序。他們會將加州大學學生中心與瀉湖並列，而不是將它們放在校園的對面。如果景觀在保持這些關係的同時發生彎曲或流動，居民們永遠不會知道。時空也是如此。不同的觀察者可能會將不同的位置歸因於一個地方，但會就地方彼此之間的關係達成一致。這些關係決定了發生的事件。“如果喬治和唐在第一個時空的某個咖啡館在中午見面，”馬羅夫告訴我，“他們也會在重新排列的時空中這樣做。只不過在第一種情況下，這會發生在B點，而在重新排列的情況下，它會發生在A點。”

那麼，自助餐廳位於A或B或C或D或E——無數個可能的位置。當我們說它位於某個地方時，我們實際上是在使用它與其他地標的關係的簡寫。由於缺乏明確的座標，自助餐廳必須透過其內部和周圍的事物來定位。要定位它，你需要環顧世界，尋找一個桌子、椅子和沙拉吧排列得恰到好處，並且有一個露臺可以俯瞰沐浴在南加州金色陽光下的瀉湖的地方。學生中心的位置不是中心的屬性，而是它所屬的整個系統的屬性。“你原則上提出的問題指的是整個時空，”馬羅夫說。

區域性測量的模糊性是非定域性的一種形式。首先，能量等量不能位於任何特定位置，原因很簡單，因為根本不存在特定位置這種東西。你不可能比在海上插旗更快地確定一個位置。空間中的點是無法區分和可互換的。由於它們缺乏任何區分屬性，世界所包含的任何東西都不能位於點上；空間無法支援任何區域性結構。引力量必須是整體性的——時空整體的屬性。

此外，空間的多種等效形狀由引力場的不同配置描述。在一種配置中，場在一個地方可能比在另一種配置中施加更強的力，而在其他地方進行補償性變化以保持物體的相對排列。引力場中的點必須彼此連線，以便它們可以翻轉，同時仍然共同產生相同的物體內部排列。這些聯絡違反了空間中的各個位置具有自主存在原則。馬羅夫這樣解釋道：“任何引力理論都不是區域性場論。即使在經典上，也存在重要的約束方程。時空中這個點的場和時空中這個點的場不是獨立的。”

在大多數情況下，我們可以忽略這種非定域性。你可以指定一些可用的物質塊作為參考點，並用它來錨定座標網格。你可以，讓聖巴巴拉人懊惱的是，將洛杉磯作為宇宙的中心，並相對於它定義所有其他地方。在這個框架中，你可以幸福地無視空間從根本上無法劃分位置而開展你的業務。“一旦你這樣做，物理學看起來就像是區域性的，”馬羅夫說。“引力的動力學是完全域性部的。事物以連續的方式移動，受光速限制。” 但引力的性質仍然只是“偽區域性的”。非定域性始終存在，潛伏在表面之下，在黑洞等極端情況下浮現出來。

簡而言之，愛因斯坦的理論以一種比牛頓的引力理論更微妙和更隱蔽的方式是非定域性的。牛頓引力是超距作用的，但至少它是在絕對空間的框架內運作的。愛因斯坦引力沒有這種魔法元素；它的影響以光速在宇宙中傳播。然而，它摧毀了框架，違反了定域性，這對於愛因斯坦來說，是其最基本的意義：所有事物都有一個位置的規定。廣義相對論混淆了我們對空間的直觀理解，即空間是一種物質物體存在其中的容器，並迫使我們尋找一種全新的地方概念。