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量子力学的不完备性会引发物理学新的变革吗?

发布时间:2019-05-27 11:00:37  作者:宇宙探索  来源:宇宙探索  阅读:114

    量子力学的不完备性会引发物理学新的变革吗?
      作为现代物理学的两大支柱之一,量子力学描述了微观粒子是如何发生相互作用的。在人类已知的四大基本作用力中,除了引力之外的三个都已经在量子力学中得到统一。
      两个物体靠得越近,它们对彼此施加的作用力就越大。如果它们离得太远,作用力就会降到零。这就是所谓的定域性原理,它几乎在任何情况下都是成立的。但在量子力学中,定域性原理一直被违背。定域性可能只是一种错觉,而看穿这种表象可能正是物理学所需要的。
      假设有两个物体彼此靠近,它们会根据电荷和它们之间的距离出现相互吸引或排斥的作用。这可以想象成一个物体产生了能够影响另一个物体的场,或者两个物体交换粒子,使它们之间产生推力或拉力。
    量子力学的不完备性会引发物理学新的变革吗?
      当然,这种相互作用会有一个速度限制,那就是光速。根据狭义相对论,因为负责力传播的粒子不会以超光速运动,速度只能小于等于光速。
      另一方面,基于生活经验,我们建立起了因果关系的概念,这是少有的符合我们直觉的物理学观点之一。对于宇宙中的任一个观测者而言,都有一系列存在于过去和未来的事件。
      在相对论中,这些事件要么包含在过去的光锥中,要么包含在未来的光锥中。可以看到、感知到或以其他方式影响观测者的事件被称为因果关联。从过去到未来,信号和物理效应都能以光速传播,但不会超光速。至少,这是人们的现实直觉。
    量子力学的不完备性会引发物理学新的变革吗?
      但在量子宇宙中,相对论因果关系的概念并非那样简单或普遍。根据不确定性原理,在对粒子进行测量之前,它们的状态是不确定的。在观测粒子之前,它们处于所有可能状态的叠加,这就是所谓的叠加态。
      另外,也可以把两个量子粒子纠缠在一起,这样这两个发生量子纠缠的粒子就有了相同的量子性质。当测量其中一个纠缠粒子时,不仅确定了该粒子的状态,而且还能同时知道另一个纠缠粒子的状态。
      上述的量子现象已经够反直觉了,而下述的量子现象更是打破人们的传统认知:假如在时空的特定位置制造出一对纠缠粒子,然后,把它们之间的距离拉开任意远,同时保持量子纠缠。如果测量其中一个粒子的状态,瞬间就能知道相距遥远的另一个粒子的状态,这是爱因斯坦所无法认同的“幽灵般的超距作用”。
    量子力学的不完备性会引发物理学新的变革吗?
      令人困惑的是,直到很久以后,观测者才能检测这个信息是否正确,因为光信号从另一个地方传播到另一个地方需要时间。当信号到达时,对远处纠缠粒子状态的期望会与测量结果100%一致。
      在这种情况下,观测者“知道”关于非本地或者说光锥之外发生的测量信息。然而,观测者并不完全不知道那里发生了什么。尽管没有任何信息的传播速度超过光速,但这种测量描述了量子物理中一个令人不安的事实——它本质上是一个非定域理论。
      但需要注意的是,测量一个纠缠粒子的状态并不能告诉我们另一个的确切状态,只能知道相关概率信息。由于没有办法超光速发送信号,只能使用这种非定域性来预测纠缠粒子特性的统计平均值。
    量子力学的不完备性会引发物理学新的变革吗?
      从爱因斯坦到薛定谔再到德布罗意,没有物理学家能提出更好的量子力学改进版。不过,现在还有物理学家正在试图做到这些。
      其中之一是圆周理论物理研究所的物理学家Lee Smolin,他早在2003年就写过一篇论文,展示了量子引力的一般概念与量子物理的基本非定域性之间的有趣联系。虽然物理学家还没有建立起一个成功的量子引力理论,但他们已经建立了一些有关量子引力理论的重要性质。
    量子力学的不完备性会引发物理学新的变革吗?
      当试图使引力量子化时,通过用粒子交换来代替广义相对论中的时空弯曲概念来传递引力,这就会违背定域性。但如果观测这些违背定域性行为的后果,就会发现可以够通过新的、非定域性的、不可观测的变量来解释量子力学的非定域性行为。
      那么,在不完备的量子力学中能否诞生新的理论,并引发新的物理学变革?爱因斯坦未完成的大统一理论能否实现?广义相对论和量子力学能否最终统一起来?这些都有待时间给出答案。