David Z Albert 和 Rivka Galchen 的文章“量子力学对狭义相对论的威胁”讨论了量子纠缠现象如何颠覆我们关于世界是“局域”的直觉。也就是说,我们只能直接影响我们能触摸到的物体,而间接影响必须通过一系列局部作用的事件来传递。伟大的物理学家尼尔斯·玻尔和阿尔伯特·爱因斯坦曾就量子力学中明显的非局域性含义发生冲突,但他们都没有想到宇宙实际上可能是非局域的。然而,理论家约翰·S·贝尔在 20 世纪 60 年代的工作以及从 20 世纪 80 年代开始的实验人员的工作,已经最终证实了世界非局域的量子性质。
正如 Galchen 和 Albert 在这里描述的那样,科学家们在几个世纪前就一直受到明显非局域性的困扰,并认为他们已经成功地将它们从物理学中驱逐出去。
—编者
从牛顿到麦克斯韦的非局域性
三百年前,当艾萨克·牛顿产生第一个现代科学描述时,引力似乎是一种非局域力,因此是荒谬的,因此它赢得了充满怀疑的绰号“超距作用”。牛顿本人在多次尝试提出引力的局域解释之后,包括一个所有在我们看来是空旷空间实际上都充满了微小的、看不见的晃动粒子的解释,最终将他自己的理论视为对引力系统中发生的事情的纯粹现象学描述,这种描述未能抓住基本原理。牛顿将他的理论中明显的非局域性(即)视为其局限性的症状。事情就这样持续了很长一段时间。
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19 世纪对电磁学的研究最初也带来了同样的明显缺点,似乎再次显示力在远处起作用,而不是通过中间物质,而不是通过任何中间事物——这是一种永远不受欢迎的魔法。
但是,随着世纪的推移,最初仅仅作为一种符号上的方便——场符号——变得流行起来,而场符号至少在形式上允许物理学家以一种表面上符合局域性要求的方式来描述电磁学。例如,带电粒子在这种符号中被视为产生一个电场,该电场延伸到无限远,并渗透到空间中的每个点。而这些粒子从远处相互推拉的能力,在这种符号中被视为源于每个粒子与其他粒子相关的电场之间完美的局域相互作用。然而,早期没有人认为场仅仅是记账的问题。它们不被认为是世界基本本体论的一部分,不是你可以说被绊倒的东西,当然也不是真实的东西。
但是,在迈克尔·法拉第和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的影响下,由于许多变革性的观察,发生了巨大的变化。
首先:到 19 世纪后期,能量和动量守恒定律已深深地扎根于科学对世界的认识中——并且人们注意到,当涉及电力或磁力相互作用时,孤立的物质粒子集合的总能量和动量经常不守恒。然后,麦克斯韦意识到,一个非常简单的公式可以将能量和动量分配给场,并且在这样做之后,可以恢复能量守恒——粒子和场一起守恒。(将能量和动量分配给场的公式非常优雅,因此令人信服。)所以有一个邀请:把场看作真实的,你就可以抓住守恒定律。
此外:麦克斯韦发现场本身具有丰富的动力学生命。这一发现的出现是因为麦克斯韦试图根据法拉第产生的大量经验数据,写下关于场如何随时间变化的可概括方程。法拉第的数据使麦克斯韦陷入了一个悖论,因为根据场值的计算方式,可能会产生两个不同且矛盾的答案。
而这正是美丽的转折点。麦克斯韦试图寻找对其理论的最小修改,以解决这个悖论,而他所发现的是,即使在完全没有带电粒子的情况下,也可能存在有趣地演化的电场和磁场——所谓的无电荷解。(这个发现一定感觉像发现了,比如说,可能会有完全没有身体的牙痛。)事实证明,没有粒子的场可以互相推动,并且它们随后的振荡链会以特定的速度在空间中传播,这个速度恰好与当时最近测量的光速相对应。
这种“巧合”令人震惊。光是物理学家想象他们在相对遥远的未来才会解决的问题,它几乎完全不被理解。但是,突然之间,他们不仅知道了光是什么,而且其存在的必要性也已经作为逻辑问题推导出来了。一个奇迹。
而这才是最好的消息:一旦麦克斯韦方程被修改,你就可以问一个关于相距一定距离的两个带电粒子之间的力的问题,你就可以找出它们之间的吸引力是否是局部作用的。你只需要问自己,如果你移动其中一个粒子会发生什么……这会导致另一个粒子以什么速度受到不同场的影响?事实证明,调整的球形外壳以光速向外扩展。
因此,人们理解电磁(以及,就此而言,引力)吸引力是一种完全局部的现象。(物理学似乎突然之间几乎结束了;令人欣喜的感觉是,剩下的只是解决一些细节。)非局域性的 300 年的难题简单地消失了,而所有这一切进步的代价仅仅是基本本体论——宇宙的结构——本质上翻了一番。现在有了物质体和场。而且两者都是真实的。麦克斯韦的胜利意味着我们对局域性的深刻直觉得到了惊人的验证。
这也预示了局域性在约翰·S·贝尔的工作中瓦解。尼尔斯·玻尔或阿尔伯特·爱因斯坦最不可能怀疑的是局域性存在问题,这是可以理解的。自从物理学开始以来,非局域性就像是敲打窗户玻璃的分支,等待被承认——一个耐心而持久的幽灵,仍在等待被放进来。