理論背景:相對論和量子力學是20 世紀物理學的兩大理論基石。然而,這兩個理論卻并不相容。一方面,相對論禁止任何超光速的物質運動和信息傳輸,另一方面,量子力學卻允許某種超光速影響的存在。1935年,Einstein 與Podolsky 和Rosen 共同發(fā)表了一篇后來被稱為EPR 的著名文章。在這篇文章中,他們論證了量子力學與相對論的不相容性,從而暗示了如果量子力學的預言是正確的,那么超光速現象必然存在。根據量子力學,在相互糾纏的微觀粒子(如電子、光子等)之間存在某種超光速關聯,并且如果對其中的一個粒子進行測量,另一個粒子將會瞬時“感應”到這種影響,并發(fā)生相應的變化,無論它們相距多遠。1964 年,Bell 在這一方向上邁出了決定性的一步,他在EPR 文章的基礎上進一步提出了著名的Bell 定理 ,從而使量子超光速關聯現象的存在可以通過實驗來證實。至今,人們已進行了大量實驗來檢驗Bell 定理,其中最有代表性的是Aspect 等人于1982 年所做的實驗 。這些實驗的結果基本上證實了量子力學的預言,并顯示了微觀粒子之間的確存在超光速關聯和影響。
如何理解量子糾纏態(tài)『鬼魅』般的超距作用?
科學家很早就提出了宇宙存在額外空間維度的假說,通過額外維度可以在不違反愛因斯坦相對論的前提下解釋量子糾纏態(tài)超距作用。
讓我們進入一段燒腦的思維試驗之旅:
空間有三個維度,再加一個和其他三個方向垂直的維度似乎很難想象。其實我們做一個二維平面的類比就很容易理解。
假設我們的三維空間是一張平面,在這個平面的上方加入一個額外維度——一把固定夾角的圓規(guī),兩腳與平面在A、B兩點重合。如果此時移動任意一個圓規(guī)的腳,另外一只腳就會實時移動,觀察其中一只腳的移動,就可以知道另外一只腳的移動狀態(tài)。
這個比喻是不是很像量子糾纏理論描述的現象?
這時可能有人要問了:
A點的運動狀態(tài)通過圓規(guī)傳播到B點也是需要時間的,這個速度不可能超過光速。
你的問題一點都沒錯,我也堅信沒有任何物質或者信息的傳播速度會超過光速。怎么解決這個問題呢?接著往下看。
讓我們保持A、B兩點位置不變慢慢縮短圓規(guī)兩腳的距離,同時將平面順著圓規(guī)兩腳方向折疊起來,直到圓規(guī)兩腳夾角為180度,此時在圓規(guī)這個額外維度AB距離變得比在平面內AB兩點的距離要短了,到這里有些同學已經猜到超光速的秘密了。
**,繼續(xù)縮短圓規(guī)圓規(guī)兩腳尖的距離,直到數字變成零。嘭!AB點重合了。
請問,AB兩點重合時,運動狀態(tài)的傳遞還需要時間嗎?
什么是超距?就是沒有距離。時間=距離/速度,分子——距離=0,不管分母——速度是多少,時間都等于0。
在這個例子中,光速是不變的,在平面中傳播的距離始終是一開始那么多,雖然后來平面彎曲了,AB兩點在平面內的距離還是沒有變化,應為光線只能限定在維度——平面里傳播。而能夠在額外的緯度里傳播的就是量子糾纏效應。
我們不要滿足地停留在這里,緩一緩繼續(xù)向深處思考。
實際上我們宇宙的任何位置都可以實現量子糾纏效應,因此除了AB兩點還有C、D、E、……無數個,就是說宇宙空間中的所有點都可以通過一個額外維度兩兩相連接,這個額外維度實際上就是一開始AB通過圓規(guī)重合的那個點!
聽起來不可思議,也沒有辦法在二維平面提出可以類比的假設,但實際上只有這樣才說的通——我們的三維宇宙空間在另外一個維度是重合在一個點上的,或者說額外維度蜷縮成為了一個點,這個點同時又和宇宙中的所有點重合。
事實上這個點就是科幻小說中可以連接宇宙遙遠距離的『蟲洞』,但它是一個只有位置沒有大小的點,沒辦法傳送任何物體。
也許在宇宙從一個無限致密的起點大爆炸創(chuàng)生的時候,只有三個維度伸展開來,形成了我們的宇宙。額外的維度(也許額外的維度并非只有一個)并沒有展開,但它的存在從量子糾纏這個現象漏出了端倪,等待著人類不斷沖破自己的認知,去發(fā)掘宇宙時空的終極奧秘。
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