爱因斯坦如何揭示宇宙的奇异“非定域性”

我们认为宇宙是一个有序的广阔空间，事件发生在绝对位置，这是一种错觉

20世纪90年代初，当我第一次了解到被称为非定域性的量子现象时，我还是一个研究生。但我不是从我的量子力学教授那里听说的：他不屑于提及它。在当地一家书店浏览时，我拿起了一本新出版的作品，《有意识的宇宙》，它以其“以前没有任何发现比非定域性更挑战我们对日常现实的感知”的说法让我震惊。这种现象有禁果的味道。

在日常口语中，“定域性”是一个略显自命不凡的词，用来指代社区、城镇或其他地方。但它的原始含义，可以追溯到17世纪，是关于“地方”这个概念本身。它的意思是，一切事物都有一个地方。你总是可以指着一个物体说：“它在这里。” 如果你不能，那东西一定不是真实存在的。如果你的老师问你的作业在哪里，你说它不在任何地方，你就需要解释一下了。

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我们所体验的世界拥有定域性的所有品质。我们对地方以及地方之间的关系有强烈的感知。我们感受到与我们所爱之人分离的痛苦，以及离我们想要影响的事物太远的无力感。然而，物理学的多个分支现在表明，在更深层次上，可能根本不存在地方这种东西，也不存在距离这种东西。物理实验可以将两个粒子的命运捆绑在一起，使它们的行为就像一对魔法硬币。如果你抛掷它们，每个硬币都会正面或反面朝上——但总是与其伙伴的同一面朝上。它们以协调的方式行动，即使没有任何力穿过它们之间的空间。这些粒子违反了定域性——它们超越了空间。

显然，大自然已经达成了一种奇特而微妙的平衡：在大多数情况下，它遵守定域性，而且如果我们想要存在，它必须遵守定域性，但它也暗示了在其基础上存在非定域性。对于研究它的人来说，非定域性是所有物理学谜题之母，它与物理学家如今面临的广泛的谜团有关——不仅仅是量子粒子的怪异性，还包括黑洞的命运、宇宙的起源和自然的本质统一性。

在20世纪的大部分时间里，量子纠缠——粒子之间奇特的同步性——是唯一被提及的非定域性类型。这是阿尔伯特·爱因斯坦称之为“幽灵般的远距作用”的现象。但物理学家逐渐意识到，其他现象也令人怀疑地具有幽灵般的性质。

例如，爱因斯坦创建了他的广义相对论——它提供了我们对引力的现代理解——其明确目的是从物理学中消除非定域性。艾萨克·牛顿的引力是超距作用的，仿佛是魔法，而广义相对论则通过表明时空曲率，而不是一种看不见的力量，产生了引力，从而折断了魔杖。但无论爱因斯坦的意图如何，当物理学家开始使用他的理论时，他的理论开始揭示出不同的方面。引力的运作方式原来充满了非定域现象。

我们所说的“这里”是什么意思

秋天的一天，加州大学圣巴巴拉分校的物理学家唐·马罗夫和我坐在他校园的学生中心里，吃着沙拉，眺望着泻湖，谈论着引力。但是等等。我怎么才能真正知道我是在秋天某天的加州大学圣巴巴拉分校学生中心？定域性原理认为，我有一个位置，学生中心有一个位置，当这两个位置重合时，我就在那里。我手机上的GPS坐标与中心的坐标相符，日期与墙上的日历相符。但这个看似简单的程序经不起推敲。“要问一个关于‘这里’的问题，我们应该知道我们所说的‘这里’是什么意思，而这并不容易做到，”马罗夫说。

一个明显的复杂之处在于，加利福尼亚州在地质构造上是活跃的。圣巴巴拉所在的板块正以每年几英寸的速度向西北方向移动，相对于北美其他地区和国家经纬度网格。因此，学生中心没有固定的位置。如果我几年后回来，去到相同的坐标，我会发现自己坐在那个泻湖里。地图公司必须定期重新勘测构造带，以考虑到这种运动。

你可能会认为，学生中心仍然有一个由空间本身定义的绝对位置。然而，空间和时间并不比构造板块更稳定。它们会滑动、隆起和弯曲。当一个巨大的物体移动时，它会在时空连续体中发出震动，重塑它。自助餐厅的位置可能会因此而改变，即使构造板块保持不动。根据爱因斯坦的广义相对论，这个过程，而不是牛顿神秘的超距作用，是引力如何从一个地方传递到另一个地方的。就像地质震动一样，引力波以一定的有限速度传播——即光速。

为了理解时空的重塑，我们的思想必须克服一个抽象的障碍。时空不像地质景观那样有形。我们看不到它，更不用说辨别它的形状了。然而，我们捕捉到间接的瞥见。在空间中自由移动、不受其他物体阻碍的物体就像雨滴划过汽车挡风玻璃，揭示玻璃的曲线：它们描绘出空间的形状。例如，天文学家经常观察到从平行开始的星光，经过太阳等巨大的质量块附近，然后在之后相交。描述这种效应的教科书和文章通常说太阳的引力弯曲了光线，但这不太正确。光线尽可能地直。太阳真正做的是改变了几何规则——也就是说，扭曲了空间——使得平行线可以相交。

空间和时间的变形不仅仅是奇异物理学的范畴。它支配着任何坠落物体的运动。棒球、酒杯、昂贵的智能手机：从你手中滑落的东西会加速向地面坠落，因为地球的质量扭曲了时间。（空间的扭曲在这些情况下只起次要作用。）“向下”是由时间流逝较慢的方向定义的。海平面上的时钟比德纳里峰顶上的时钟走得慢；绑在你脚踝上的手表会落后于你手腕上的手表。用人类的尺度来说，偏差很小——最多只有万亿分之一——但足以解释坠落物体加速的速度。当你看到苹果从树上掉下来时，你是在观看它在时间的轮廓上滚动。

相对论的启示

尽管时空形状的易变性解释了牛顿所说的非定域性，但它产生了一种新的变体。它源于相对论的核心创新：在时空之外没有地方这种东西，没有外部或绝对的标准来判断它。这个看似不言自明的命题具有非凡的后果。这意味着时空不仅会扭曲，而且还会失去我们赋予它的许多品质，包括定义位置的能力。

马罗夫否认了上帝视角的观点，他说，“这非常微妙，而且，说实话，爱因斯坦在很长一段时间内都没有理解它。” 先前对空间的理解，包括牛顿的，甚至包括爱因斯坦自己早期的想法，都认为空间具有固定的几何形状，这会让你想象升到空间之上并俯视它。事实上，爱因斯坦一度认为必须存在一个绝对的参考点，否则空间的形状就会变得模糊不清。

为了理解为什么会出现模糊性，请考虑我们在日常生活中如何体验地理。我们可能会认为景观有一个独特的“真实”形状——谷歌地球显示的那样——但在实践中，形状是由嵌入该景观的体验定义的，而这种体验可能会有所不同。一个考试迟到的学生、一个跛着扭伤的脚踝的运动员、一个与同事深入交谈的教授和一个冲着行人喊叫让路的自行车手会感知到非常不同的校园。对一个人来说很短的距离，对另一个人来说可能显得是漫长的穿越。当我们避开高高在上的视角时，我们就无法再对什么是“在哪里”做出明确的陈述。

在1915年的顿悟中，爱因斯坦意识到模糊性不是漏洞，而是一个特性。他注意到，无论如何，我们永远不会观察到地方具有绝对位置。相反，我们根据物体相对于彼此的排列方式来分配位置，而且——至关重要的是——这些相对位置是客观的。每个在大学校园里闲逛的人都会认识到地方的基本排序。他们会将加州大学学生中心与泻湖并列，而不是将它们放在校园的对面。如果景观在保持这些关系的同时发生弯曲或流动，居民们永远不会知道。时空也是如此。不同的观察者可能会将不同的位置归因于一个地方，但会就地方彼此之间的关系达成一致。这些关系决定了发生的事件。“如果乔治和唐在第一个时空的某个咖啡馆在中午见面，”马罗夫告诉我，“他们也会在重新排列的时空中这样做。只不过在第一种情况下，这会发生在B点，而在重新排列的情况下，它会发生在A点。”

那么，自助餐厅位于A或B或C或D或E——无数个可能的位置。当我们说它位于某个地方时，我们实际上是在使用它与其他地标的关系的简写。由于缺乏明确的坐标，自助餐厅必须通过其内部和周围的事物来定位。要定位它，你需要环顾世界，寻找一个桌子、椅子和沙拉吧排列得恰到好处，并且有一个露台可以俯瞰沐浴在南加州金色阳光下的泻湖的地方。学生中心的位置不是中心的属性，而是它所属的整个系统的属性。“你原则上提出的问题指的是整个时空，”马罗夫说。

局部测量的模糊性是非定域性的一种形式。首先，能量等量不能位于任何特定位置，原因很简单，因为根本不存在特定位置这种东西。你不可能比在海上插旗更快地确定一个位置。空间中的点是无法区分和可互换的。由于它们缺乏任何区分属性，世界所包含的任何东西都不能位于点上；空间无法支持任何局部结构。引力量必须是整体性的——时空整体的属性。

此外，空间的多种等效形状由引力场的不同配置描述。在一种配置中，场在一个地方可能比在另一种配置中施加更强的力，而在其他地方进行补偿性变化以保持物体的相对排列。引力场中的点必须彼此连接，以便它们可以翻转，同时仍然共同产生相同的物体内部排列。这些联系违反了空间中的各个位置具有自主存在原则。马罗夫这样解释道：“任何引力理论都不是局部场论。即使在经典上，也存在重要的约束方程。时空中这个点的场和时空中这个点的场不是独立的。”

在大多数情况下，我们可以忽略这种非定域性。你可以指定一些可用的物质块作为参考点，并用它来锚定坐标网格。你可以，让圣巴巴拉人懊恼的是，将洛杉矶作为宇宙的中心，并相对于它定义所有其他地方。在这个框架中，你可以幸福地无视空间从根本上无法划分位置而开展你的业务。“一旦你这样做，物理学看起来就像是局部的，”马罗夫说。“引力的动力学是完全局部的。事物以连续的方式移动，受光速限制。” 但引力的性质仍然只是“伪局部的”。非定域性始终存在，潜伏在表面之下，在黑洞等极端情况下浮现出来。

简而言之，爱因斯坦的理论以一种比牛顿的引力理论更微妙和更隐蔽的方式是非定域性的。牛顿引力是超距作用的，但至少它是在绝对空间的框架内运作的。爱因斯坦引力没有这种魔法元素；它的影响以光速在宇宙中传播。然而，它摧毁了框架，违反了定域性，这对于爱因斯坦来说，是其最基本的意义：所有事物都有一个位置的规定。广义相对论混淆了我们对空间的直观理解，即空间是一种物质物体存在其中的容器，并迫使我们寻找一种全新的地方概念。