相对论与量子物理学 物理学的两大理论

伤我心太深

　　在当今物理界有两大理论支柱，即爱因斯坦提出的解释宏观物理现象的相对论和以玻尔哥本哈根派为代表的解释微观世界的量子力学。相对论解决了对宏观世界问题的解释，量子力学解决了对微观量子世界的解释。


　　相对论分为狭义相对论与广义相对论，两者的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系(惯性参照系)之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中(非惯性系)，并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念。

　　相对论把时间与空间紧密联系起来，提出四维时空、大质量物体可以弯曲空间，并提出光速恒定，及解决了质量与能量之间联系的质能方程问题。

　　在经典物理学中时间是绝对的，爱因斯坦的相对论把时间与空间联系起来了，时间成为宇宙中的一维，时空坐标t和空间坐标x、y、z构成一个四维的刚性连续时空，时间是可以因速度而歪曲，速度越大，时间越慢。狭义相对论导致的另一个重要的结果是关于质量和能量的关系，在此以前物理学界一直认为质量和能量是不同的、没有联系的。爱因斯坦给出了一个著名的质量——能量公式：E=MC2，其中C为光速，于是质量可以看做是它的能量的量度。微小的质量蕴涵着巨大的能量，这就是原子能，一公斤的核材料的能量可以达到几百万吨的煤的能量。





　　对于相对论，大部分物理学家，其中包括相对论变换关系的奠基人洛仑兹，都觉得难以接受。包括现代人，在接受相对论的时候，都要用很久时间才能体验到相对论的精髓，或者只理解了其中一部分。就连瑞典皇家科学院1922年把诺贝尔奖金授予爱因斯坦时，也只是说“由于他对理论物理学的贡献，更由于他发现了支配光电效应的定律”，却对于他的相对论只字未提。


　　相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。当然量子力学本身存在其不完备性，像玻尔认为量子世界不需要探求因果关系的思维，在当代是不合时宜的。


　　量子力学主要表现在波粒二向性、概率性，和测不准原理。


　　量子力学的测不准原理表明：一个微观粒子的某些物理量(如位置和动量或方位角与动量矩还有时间和能量等)，不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大。


　　波粒二象性是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质。波粒二象性是量子力学中的一个重要概念。在经典力学中，研究对象总是被明确区分为两类：波和粒子，前者的典型例子是光，后者则组成了我们常说的“物质”。1905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象。而且粒子波具有概率性，这被后来的电子衍射试验所证实。


　　费曼历史求和说的是每个粒子从一点到达另一点，不仅具有一个历史，而是具有所有可能的历史，这些历史在求和过程中绝大多数都给抵消了，只剩下有限的历史，最后求和成一个轨迹。人们做了大量的探索与实验来追求量子背后隐藏的世界。


　　粒子实验，量子的反常行为


　　著名的双缝实验和时间延迟实验，在这两个实验里，除了证明粒子具有波粒二向性外，我们还发现了一个奇怪的现象。

　　在双缝实验里，人们试图观察电子的轨迹，当人们用有观察仪器观测的时候，电子似乎知道了人的观测行为，于是改变了轨迹。而在时间延迟实验里，在另一个路径上，当一个人试图挡住该路径的光的传播路线的时候，光似乎知道了这种情况，于是选择了另一条路径，而不走这条路径。

　　在玻姆理论里，他认为像电子这样的基本粒子本质上是一个经典的粒子，以它为中心发散出一种势场，这种势场能达到宇宙的边缘，使它每时每刻都对周围的环境了如指掌。当一个电子向一个双缝进发时，它的量子势会在它到达之前便感应到双缝的存在，从而指导它按照标准的干涉模式行动。如果实验者试图关闭一条狭缝，无处不在的量子势便会感应到这一变化，从而引导电子改变它的行为模式。如果你试图去测量一个电子的具体位置的话，你的测量仪器将首先与它的量子势发生一种无法被直接观测到的作用。

　　玻姆理论能够很大程度上满足观测，但其数学形式却极为繁琐，并且玻姆在恢复了世界的实在性和决定性之后，却放弃了另一样东西：定域性。定域性指的是，在某段时间里，所有的因果关系都必须维持在一个特定的区域内，而不能超越时空来瞬间地作用和传播，但是在玻姆那里，他的量子势可以瞬间传播粒子所需要的信息。这似乎又为超光速提供了一个理论依据。


　　也许爱因斯坦和玻尔全都错了


　　爱因斯坦在提出相对论以后，在1927年和1930年两次索维尔会议上因为量子力学的争议，被以玻尔为代表的哥本哈根派打的灰头灰脸，在物理界丢尽了面子。从此爱因斯坦的后半生就致力于寻找一种统一的理论来试图解释所有相互作用，把宏观相对论与微观量子力学统一起来，哪怕新的理论会否定自己的相对论也在所不惜。爱因斯坦晚年的研究偏离了物理界的大方向，自己研究大统一理论想通过“弱作用，磁场强作用”来简单的解释宇宙，这种努力一直持续到他1955年逝世。


　　爱因斯坦几十年的努力虽未成功，但却激励了后人。爱因斯坦在创建相对论时就意识到，自然科学中“统一”的概念或许是一个最基本的法则。在索维尔会议上，被玻尔等年轻的天才物理学家打败后，他就着手研究“大统一理论”，试图将当时已发现的四种相互作用统一到一个理论框架下，从而找到这四种相互作用产生的根源。这一工作几乎耗尽了他后半生的精力，以至于一些史学家断言这是爱因斯坦的一大失误。但是，在爱因斯坦的哲学中，“统一”的概念深深扎根于他的思想中，他越来越确信“自然界应当满足简单性原则”。虽然“大统一理论”没有成功，可是他建立统一理论的理想，却成就了物理学界的另一项革命，以后包括格林、霍金在内的很多顶尖物理学家也走上了追求大统一之路，大统一理论也成为现代物理学的显著标识。


　　量子纠缠是指具有量子纠缠现象的成员系统，比如两个电子，即使一颗行至火星边，一颗行至地球，如此遥远的距离下，它们仍保有特别的关联性，亦即当其中一颗被操作(例如量子测量)而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化。这种现象导致了“鬼魅似的远距作用”，仿佛两颗电子拥有超光速的秘密通信一般，似与狭义相对论中所谓的局域性相违背。
　　也就是说，两个处于“纠缠态”的粒子，无论相隔多远，同时测量时都会“感知”对方的即时状态。那么，对于这种超光速，物理学家的最新测试表明，量子纠缠速度，至少是光速的万倍。

　　1982年法国物理学家证实，亚原子粒子在向相反方向发射后，在运动时依然可以彼此互通信息。

　　2008年，日内瓦大学的物理学家通过实验发现两个纠缠相互感应的粒子距离能够超过17千米。奥地利科学家蔡林格(AntonZeilinger)甚至在两个相距144千米的岛屿之间观测到光子的量子纠缠现象。



　　“量子纠缠”示意图。

　　当转动一个粒子，则与它处于纠缠状态的那个，也会相应转动。我们要搬动一物体，通过亲自动手，或者通过搬运机一类工具，通过收音机可以收听广播等，信号则是通过无线电波传送的。任何事情的变化，都有依据，特定时间与区域，没有任何事情违背这一直觉，我们把这种直觉称为“定域性”。而量子力学中的量子纠缠却表现出一种可以超距发挥作用的效应——两个粒子的行为无需介质即可保持同步，这种效应是非定域的。

　　爱因斯坦看出了量子纠缠“隔山打牛”中隐藏的问题，并亲笔撰文批驳量子力学，提出EPR谬误现象。在论证中，爱因斯坦等人设想了一个测量粒子坐标和动量的思想实验，后来D. 玻姆把它简化为测量自旋的实验：
　　考虑两个自旋为1/2的粒子A和B构成的一个体系，在一定的时刻后，使A和B完全分离，不再相互作用。当我们测得A自旋的某一分量后，根据角动量守恒，就能确定地预言B在相应方向上的自旋值。


　　由于测量方向选取的任意性，B自旋在各个方向上的分量应都能确定地预言。所以他们认为，根据上述实在性判据，就应当断言B自旋在各个方向上的分量同时具有确定的值，都代表物理实在的要素，并且在测量之前就已存在，但量子力学却不允许同时确定地预言自旋的8个分量值，所以不能认为它提供了对物理实在的完备描述。


　　如果坚持把量子力学看做是完备的，那就必须认为对A的测量可以影响到B的状态，从而导致对某种超距作用的承认。EPR实在性判据包含着“定域性假设”，即如果测量时两个体系不再相互作用，那么对第一个体系所能做的无论什么事，都不会使第二个体系发生任何实在的变化。人们通常把和这种定域要求相联系的物理实在观称为“定域实在论”。

　　在那个时候，还没有人能够欣然接受“世界上存在真正的物理非定域性”这种可能，爱因斯坦接受不了，玻尔等人也接受不了。

　　爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在他们的论文中认为，量子力学表现出来的非定域性必定只是一种表面现象，那么量子力学必定漏掉了真实世界的某些方面没有考虑。这个世界必然存在一部分真相，是量子力学没能涉及到的。


　　玻尔则用何为“真实”的哲学思考加以回应，不过，他也认为“隔山打牛”只是一种表面现象。玻尔经过彻夜思考，写了一封信来反驳爱因斯坦关于EPR谬误的论文，这封信没有针对论文中的具体学术观点进行批驳，反倒用一种含糊其辞、晦涩的文风对“真实”一词的使用和“物理真实的要素”如何定义提出了不同观点。他认为：科学需要的是彻底修正我们对于物理真实的看法，真正的物理非定域性当然是不可能的，这种表面上的非定域性恰好提供了又一条理由，证明我们必须抛弃物理学“探究世界本原”这一陈旧过时的志向。从这里我们可以看出，玻尔对自己的见解具有保守性，不希望继承探索量子世界背后的逻辑。

　　爱因斯坦相信，如果量子力学是一个完备的理论，我们就能够从量子力学方程中解读出这个世界的“真实图景”，即每时每刻真正存在于我们面前的所有一切。玻尔却指出，我们观测得到的世界才是“真实”世界，哪怕我们观测世界的时候必须透过一块黑色的玻璃。实际上玻尔坚持这种黑暗模糊的视线本身，也跟我们看到的其他东西一样是真实的。
　　玻尔对一个具体明晰的科学问题给出了一个古怪的哲学回应，更为古怪的是，玻尔的回应居然被奉为理论物理学的信条。自此以后，任何人再花时间来探讨这些问题，都被视为离经叛道。

　　玻尔的信条更像一个科学界的无赖，更显霸道不容置疑，而爱因斯坦似乎成了一个虔诚求知未来的学生，对于爱因斯坦求解大统一理论，及后来诞生的弦理论等都似乎说明了相对论与量子理论本身的缺陷，也许他们都错了。