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全局因果——“诡异作用”背后的缘由

已有 1313 次阅读 2021-9-3 09:47 |个人分类:量子力学|系统分类:科普集锦

Global Causality — Truth behind the "spooky action"

量子纠缠指相互关联的两个粒子,只要一个发生变化,另一个立刻瞬时相应变化。所有告诉你量子纠缠是什么,多么神秘的人,都会告诉你,他也不知道量子纠缠是怎么回事。量子纠缠究竟是不是他们描述的那样,是一种超距的、神秘的、不可理解的、但却被实验无可辩驳地证明了的相互作用呢?或者说,它只是一种假象?

EPR佯谬

爱因斯坦等人认为量子力学对物理实在的描述是不完备的,并设计了一个实验来证明。该实验用到一种纠缠态(entangled state,该名称是后来才出现的),也就是一对关联的粒子,它们的物理参数关联,如果一个粒子的自旋为上,则另一个必然为下,反之亦然。对于一对关联的粒子,可以对一个粒子测量它的动量,一个粒子测量它的位置,这样我们就可以同时测量一个粒子的动量和位置,从而违背海森堡测不准原理。或者,我们测量了一个粒子的自旋,就已经知道了另一个粒子的自旋,也就是第二个粒子在被测量之前就有确定的物理实在,并且可以百分百地预测,从而反驳了玻尔测量之前讨论物理实在没有意义的说法。

贝尔不等式与贝尔实验

贝尔发现,爱因斯坦他们用纠缠粒子设计的实验,的确可以用隐变量理论描述,但是他自己提出了一种实验,任何隐变量理论都无法说明,除非存在量子力学的非局域性,也就是,必须有超距作用。

后来进行的大量的实验,看起来都证明了量子力学的非局域性,也就是超距性。

矛盾

相对论和量子力学被认为是现代物理的两大巅峰成就。相对论认为任何影响不能超光速(局域性原理,或因果性)。量子力学没有考虑相对论,是物理体系的低能近似,这一点,大家都认同,所以出现一点矛盾的预测,也可以理解。

相对论是被无数实验验证了的理论。局域性原理之所以被称为原理,是因为实验上没有找到反例,而且有坚实的理论基础。但量子力学的非局域性实验就是对局域性原理的直接反对。虽然开始量子力学也能证明非局域性不能传递信息,不影响相对论因果率,但是后来,同样也有人通过实验声称量子纠缠可以传递信息Nature Physicsvolume 16, pages148–153 (2020)原文并没有相关主张】,还可以用来操控(steering)【Wiseman, H. M.; Jones, S. J.; Doherty, A. C. (2007). "Steering, Entanglement, Nonlocality, and the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox". Physical Review Letters98 (14): 140402.】。这就直接违背了局域性原理。

如果可以传递信息和操控的实验是正确的,则意味着因果传递超光速,与狭义相对论的矛盾不可调和。如果不能传递信息和操控,那么量子纠缠的因果描述仍然违背了因果律。

局域与全局

局域指一个事件,或者变化,只能影响本地,对周围的影响不超过相互作用的传播速度,也就是光速。全局指全空间有效。非局域就是不受光速限制影响。

物理世界中,基本相互作用都是局域的,所以我们的世界必然也是局域的。局域性原理是我们理解世界的基本原则之一。如果局域性原理不成立,意味着心灵感应,瞬间移动,时间旅行,等等,都是可行的。

然而现在量子信息研究者一般认为,量子纠缠是非局域的。相对论不允许存在非局域性。

量子力学的全局性

数学上看,量子力学是一套全局理论。因为量子力学首先假定了量子都是理想物质波,任何一列理想波都是占据全宇宙空间的,并在全空间处处相干。

薛定谔方程也是全局的,因为它首先需要全空间的信息,即势函数和边条件,解出来的波函数同样是全局的,分布在全空间。

所以量子力学本来就是全局的,自然不满足相对论。但这只是理论上的近似,而不是真实的物理世界。这样的量子力学叫非相对论量子力学,因为没有考虑相对论和相互作用。或者说,它假定了相互作用传播速度是无限的,这样边条件或任何一点状态的变化,才能瞬时影响到全空间的波函数。

真实情况下,任何一点变化产生的影响,会在全空间来回反馈,最后达到一个新的稳定状态。建立新状态的时间,取决于相互作用传播速度,和系统达到平衡过程的复杂程度。

量子力学的全局性,意味着所有的解,也就是波函数,都是全局的,都是最后的稳定状态,而不考虑达到最终稳定的过程。

对上述过程的忽略,是量子力学难以理解,并且只能用概率描述的关键。

量子力学的全局性,非相对论性,意味着相对论因果律,即相互作用局域因果,失效。量子力学的因果律是全局因果律,即末态是全局条件变化后,系统充分演化达到最后平衡的末态,而不能从某一点的变化逐渐外推。那是局域因果。量子力学只有全局因果,没有局域因果。所有量子效应都应该采用全局因果解读。但是我们习惯的是相互作用局域因果,也是我们认知世界的常识。

干涉实验

从量子力学全局因果的逻辑,很容易理解所有的干涉实验,如双缝干涉,延迟选择实验,等等。对量子经过路径的任何一点变化,都将产生全局影响,都有一个达到新平衡的过程,都需要时间完成,都必须从全局理解。而从发生变化那一局部的相互作用因果来理解,必然得到错误的解读。

量子纠缠

量子力学是全局理论,讨论全局现象。所有的量子效应都是全局效应,量子纠缠也不例外。对量子纠缠的理解也必须采用全局因果。根本没有相互作用,只是全局相关必须逐渐建立。所有的量子纠缠实验都有产生全局相关的条件,并的确产生了全局相关。

详细讨论参考:

雷奕安:什么是量子纠缠?(全局诠释之九)

量子通讯

通讯必须明确存在一个点到另一个点的因果联系,这种因果联系只能是局域因果。由于量子只存在全局因果,不存在局域因果,或者相互作用因果,因此量子力学原理不可以用来通讯。这也是量子纠缠无法通讯的直接原因。

全局性陷阱

标准模型告诉我们,所有物理联系都是局域的。

虽然局域性原理是常识,但是日常生活中,由于光速很大,能量较低,非相对论近似就够,也很精确,比如牛顿力学。牛顿力学也是全局理论。

实际上,我们用到的数学,本质上也是全局的。数学定理放之四海而皆准,古今同理。比如我们定义了整数之后,必然有1+1=2,跟时间、地点、先后无关。大部分语言描述,比如说,你的父母,你的房子,也是全局描述,或者一定条件内成立的全局描述,即使你还没有出生,或者已经不在了,描述仍然成立。

数学一般都是全局的,一般物理定义中的时间也是全局的,而根据相对论,时间是局域的。除非特别注意物理理论的数学体系中时间的局域性,整个理论一定给出全局的结论。这也是为什么我们可以在数学上描述量子纠缠的非局域性。在定义了基本的量子力学理论框架之后,量子纠缠是自然的结论,但是只是考虑了非相对论近似后的结论。

雷老师讲量子纠缠已经很多年了,但是为什么仍然那么多人顽固地相信那套神秘的,自己也无法理解的说法?除了利益和面子外,因为从语言描述(舅舅比喻和手套比喻)到数学描述都可以justify the claim.

如果光速无穷,或者说相互作用传播速度无穷,那么量子力学与因果相关的结论就合理了,因为局域因果与全局因果一致了。

因果是逻辑的基础。因果出了问题,逻辑就有问题,人的认知也自然出问题。局域性原理被无视了,神神鬼鬼的东西就出来了。





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2 王安良 吉培荣

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