David Z Albert 和 Rivka Galchen 的文章“量子力學對狹義相對論的威脅”討論了量子糾纏現象如何顛覆我們關於世界是“局域”的直覺。也就是說,我們只能直接影響我們能觸控到的物體,而間接影響必須透過一系列區域性作用的事件來傳遞。偉大的物理學家尼爾斯·玻爾和阿爾伯特·愛因斯坦曾就量子力學中明顯的非局域性含義發生衝突,但他們都沒有想到宇宙實際上可能是非局域的。然而,理論家約翰·S·貝爾在 20 世紀 60 年代的工作以及從 20 世紀 80 年代開始的實驗人員的工作,已經最終證實了世界非局域的量子性質。
正如 Galchen 和 Albert 在這裡描述的那樣,科學家們在幾個世紀前就一直受到明顯非局域性的困擾,並認為他們已經成功地將它們從物理學中驅逐出去。
—編者
從牛頓到麥克斯韋的非局域性
三百年前,當艾薩克·牛頓產生第一個現代科學描述時,引力似乎是一種非局域力,因此是荒謬的,因此它贏得了充滿懷疑的綽號“超距作用”。牛頓本人在多次嘗試提出引力的局域解釋之後,包括一個所有在我們看來是空曠空間實際上都充滿了微小的、看不見的晃動粒子的解釋,最終將他自己的理論視為對引力系統中發生的事情的純粹現象學描述,這種描述未能抓住基本原理。牛頓將他的理論中明顯的非局域性(即)視為其侷限性的症狀。事情就這樣持續了很長一段時間。
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19 世紀對電磁學的研究最初也帶來了同樣的明顯缺點,似乎再次顯示力在遠處起作用,而不是透過中間物質,而不是透過任何中間事物——這是一種永遠不受歡迎的魔法。
但是,隨著世紀的推移,最初僅僅作為一種符號上的方便——場符號——變得流行起來,而場符號至少在形式上允許物理學家以一種表面上符合局域性要求的方式來描述電磁學。例如,帶電粒子在這種符號中被視為產生一個電場,該電場延伸到無限遠,並滲透到空間中的每個點。而這些粒子從遠處相互推拉的能力,在這種符號中被視為源於每個粒子與其他粒子相關的電場之間完美的局域相互作用。然而,早期沒有人認為場僅僅是記賬的問題。它們不被認為是世界基本本體論的一部分,不是你可以說被絆倒的東西,當然也不是真實的東西。
但是,在邁克爾·法拉第和詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的影響下,由於許多變革性的觀察,發生了巨大的變化。
首先:到 19 世紀後期,能量和動量守恆定律已深深地紮根於科學對世界的認識中——並且人們注意到,當涉及電力或磁力相互作用時,孤立的物質粒子集合的總能量和動量經常不守恆。然後,麥克斯韋意識到,一個非常簡單的公式可以將能量和動量分配給場,並且在這樣做之後,可以恢復能量守恆——粒子和場一起守恆。(將能量和動量分配給場的公式非常優雅,因此令人信服。)所以有一個邀請:把場看作真實的,你就可以抓住守恆定律。
此外:麥克斯韋發現場本身具有豐富的動力學生命。這一發現的出現是因為麥克斯韋試圖根據法拉第產生的大量經驗資料,寫下關於場如何隨時間變化的可概括方程。法拉第的資料使麥克斯韋陷入了一個悖論,因為根據場值的計算方式,可能會產生兩個不同且矛盾的答案。
而這正是美麗的轉折點。麥克斯韋試圖尋找對其理論的最小修改,以解決這個悖論,而他所發現的是,即使在完全沒有帶電粒子的情況下,也可能存在有趣地演化的電場和磁場——所謂的無電荷解。(這個發現一定感覺像發現了,比如說,可能會有完全沒有身體的牙痛。)事實證明,沒有粒子的場可以互相推動,並且它們隨後的振盪鏈會以特定的速度在空間中傳播,這個速度恰好與當時最近測量的光速相對應。
這種“巧合”令人震驚。光是物理學家想象他們在相對遙遠的未來才會解決的問題,它幾乎完全不被理解。但是,突然之間,他們不僅知道了光是什麼,而且其存在的必要性也已經作為邏輯問題推匯出來了。一個奇蹟。
而這才是最好的訊息:一旦麥克斯韋方程被修改,你就可以問一個關於相距一定距離的兩個帶電粒子之間的力的問題,你就可以找出它們之間的吸引力是否是區域性作用的。你只需要問自己,如果你移動其中一個粒子會發生什麼……這會導致另一個粒子以什麼速度受到不同場的影響?事實證明,調整的球形外殼以光速向外擴充套件。
因此,人們理解電磁(以及,就此而言,引力)吸引力是一種完全域性部的現象。(物理學似乎突然之間幾乎結束了;令人欣喜的感覺是,剩下的只是解決一些細節。)非局域性的 300 年的難題簡單地消失了,而所有這一切進步的代價僅僅是基本本體論——宇宙的結構——本質上翻了一番。現在有了物質體和場。而且兩者都是真實的。麥克斯韋的勝利意味著我們對局域性的深刻直覺得到了驚人的驗證。
這也預示了局域性在約翰·S·貝爾的工作中瓦解。尼爾斯·玻爾或阿爾伯特·愛因斯坦最不可能懷疑的是局域性存在問題,這是可以理解的。自從物理學開始以來,非局域性就像是敲打窗戶玻璃的分支,等待被承認——一個耐心而持久的幽靈,仍在等待被放進來。