光速、超光速、因果悖论：量子力学的根源，或许就是相对论！

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从一开始，量子力学就一直以其难以理解的奇特之处让人们惊叹不已。为什么一个粒子似乎同时通过两个狭缝？为什么我们只能谈论概率的演变，而不是具体的预测呢？根据华沙大学和牛津大学的理论家的所说：量子世界最重要的特征可能来自狭义相对论，而到目前为止，狭义相对论似乎与量子力学关系不大。自从量子力学和相对论问世以来，物理学家们就因为这些概念的不相容，而不舍昼夜的思索。


科学家普遍认为，量子力学的描述是更基本的，相对论必须与之相适应。华沙大学(FUW)物理系Andrzej Dragan博士和牛津大学(UO)ArturEkert教授现在提出了他们的推理《相对论的量子原理》，得出了不同的结论，其研究成果发表在《新物理学》期刊上，证明了量子力学的特性，决定了量子力学的独特性和量子力学的非直观差异，更重要的是，作为公理，可以在狭义相对论的框架内加以解释。


阿尔伯特·爱因斯坦把狭义相对论建立在两个假设之上，第一个被称为伽利略的相对论原理（这是哥白尼原理的特例），这说明物理在每个惯性系统中都是相同的（即静止或稳定直线运动的惯性系统)；第二个假设是根据著名的迈克尔逊-莫利实验结果提出的，它要求每个参考系的光速都是恒定的。爱因斯坦认为第二个假设至关重要，实际上，至关重要的是相对论原理。
狭义相对论的三个正确解
早在1910年，弗拉基米尔·伊格纳托夫斯基就表明：只有基于这一原理，才有可能重建狭义相对论的所有相对论现象。1992年安德烈·西马查教授也提出了一个极其简单的推理，直接从相对论原理引出相对论。爱因斯坦认为第二个假设至关重要，实际上，关键是相对论原理。早在1910年，弗拉基米尔·伊格纳托夫斯基就表明：只有基于这个原理，才有可能重建狭义相对论的所有相对论现象。


狭义相对论是一个连贯的结构，它允许三种数学上正确的解：以亚光速运动的粒子世界，以光速运动的粒子世界，以及以超光速运动的粒子世界，然而，这第三个正解一直被认为与现实无关而被拒绝。新研究提出了一个问题：如果暂时不涉及解决方案的物理或非物理性质，认真对待的不是狭义相对论的一部分，而是它的全部，以及超光速系统，会发生什么？而且预计会出现因果悖论。


同时，我们看到的，正是构成量子力学最深核心的那些效应。最初，两位理论家都考虑了一种简化的情况：具有所有三正解的时空，但只包含一个空间维度和一个时间维度(1+1)。一种溶液体系中的静止粒子，似乎在另一种溶液体系中以超光速运动，这意味着超光速本身是相对的。在以这种方式构建的时空连续体中，非确定性事件自然发生。如果在A点的一个系统中有超光速粒子产生，甚至是完全可预测的。


向B点发射，那里根本没有关于发射原因的信息，那么从第二个系统中观察者的观点来看，事件从B点运行到A点，所以它们从一个完全不可预测的事件开始。事实证明，类似效应也出现在亚光速粒子发射的情况下。两位理论家还表明：在考虑了超光速解之后，粒子在多个轨迹上的运动同时出现是自然的，描述事件的过程需要引入表明存在状态叠加的组合概率幅度之和，到目前为止，这一现象只与量子力学有关。


在三个空间维度和一个时间维度(3+1)的时空的情况下，也就是对应于我们的物理现实，情况就更复杂了。最初形式的相对论原理没有保留，即亚光速系统和超光速系统是可以区分的。然而，研究人员注意到，当相对论原理被修改为这样的形式：以局部和确定性的方式，描述事件的能力不应该取决于惯性参考系的选择”时：它将解决方案限制在那些从(1+1)时空中考虑的所有结论依旧有效。
相对论与量子力学
而且研究还注意到了对单个维度的作用进行有趣解释的可能性。在观察者看来超光速的系统中，一些时空维度似乎改变了它们的物理角色。只有一个维度的超光速光具有空间特征——粒子沿着这个维度移动，其他三个维度似乎是时间维度。空间维度的一个特征是，粒子可以在任何方向上运动或保持静止，而在时间维度上，它总是在一个方向上传播演变（老化）。


因此，超光速系统的三个时间维度和一个空间维度(1+3)将意味着粒子不可避免地同时老化三倍。在超光速系统(1+3)中，从亚光速系统(3+1)观察到的粒子老化过程看起来就像球面波一样运动，导致著名的惠更斯原理（波面上的每个点都可以看作是新球面波源）和波粒二象性。考虑与一个看似超光速系统有关的解决方案时，出现的所有奇怪之处，其实并不比人们普遍接受并经过实验验证的量子理论更奇怪。


相反，考虑到一个超光速系统，我们可以至少在理论上：从狭义相对论中推导出量子力学的一些假设，而这些假设通常被认为不是由其他更根本的原因造成。近一百年来，量子力学一直在等待更深层次的理论来解释其神秘现象的本质。如果华沙大学和牛津大学物理学家提出的推理经得起时间考验，历史将残酷地嘲弄所有的物理学家。几十年来一直在寻求解释量子力学独特性的“未知”理论，将是从量子理论第一部作品中就已经知道的东西。


博科园｜研究/来自：华沙大学/牛津大学
参考期刊《新物理学》
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