时空的本源是量子纠缠

明曲

时空的本源是量子纠缠

转自：三呼夸克

  要认识时空的基本性质，还得从令人抓狂的“瞬时超距作用”说起。

     1687年，艾萨克·牛顿在《自然哲学的数学原理》上正式提出了万有引力定律：任意两个质点，有通过连心线方向上的相互吸引力；该引力大小与它们质量的乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学组成和其间介质种类无关。                       

     万有引力定律，第一次解释了一种基本相互作用的规律，将地面物体的运动规律和天体的运动规律统一起来。科学家可以只凭少量观测资料，就能算出天体的质量和运动轨道。科学家依据万有引力定律做纯数学运算，预测到了哈雷彗星、海王星、冥王星的存在。

     万有引力定律是17世纪自然科学最伟大的成果之一。在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑，对以后来的物理学和天文学的发展具有深远的影响。

     万有引力定律推翻了古代人类认为的“神之引力”，使人类建立了“有能力理解天地间的各种事物”的信心，解放了人们的思想，在科学文化的发展史上起到了积极的推动作用。

     万有引力定律无疑是伟大的，但它隐藏着一个巨大的假设：

     引力可以瞬时超距传播。

     你发现了吗？万有引力定律的数学公式里面没有时间“t”这个参量。

     牛顿自己也对这种无法说明的“瞬时超距作用”感到不满意。他说道：“我还没有能力去从现象中发现产生这些重力特性的原因，而且我无法臆测……我所解释的定律和丰富的天体运动的计算已经足够于说明重力的确存在并能产生效果。一个物体可以不通过任何介质穿过真空间的距离对另一个物体产生作用，在此之上它们的活动和力可以传送自对方，这对于我来说简直就是一个天大的谬论。因此，我相信，任何有足够的哲学思维能力的人都不会沉溺于此。”

     找不到引力的传送媒介，成了牛顿的一块心病。凭空发生的瞬时超距作用，成了万有引力定律的梦魇。

     1873年，麦克斯韦出版《论电和磁》，建立了完整的电磁场理论。受电磁场理论的启发，有科学家猜想“引力”也是一种物理实在；这种物理实在类似于电磁场，权且称之为“引力场”；电磁场以光子为媒介来传播能量，引力场就应当以“引力子”为媒介来传播能量。这样一来，万有引力不再是“瞬时超距作用”，而是依靠“引力子”在引力场中以有限的速度传递。时至今日，科学家发现了引力波，但能否以此发现“引力子”，还需要进一步探索。

     1905年，爱因斯坦发表《论动体的电动力学》，提出了狭义相对论。狭义相对论有一个核心假设：光速不变原理。即真空中的光速，在任何参考系下恒定不变。因此，引力的传播速度也不能超过光速。

     1915年后，爱因斯坦完成了广义相对论的理论建设，正是提出引力的本质是时空弯曲引起的效应，将引力同其它的力从根本上区别开来。引力的传播速度为光速，完美地解决了“瞬时超距作用”的烦恼。

     爱因斯坦解决了牛顿的烦恼，但他自己的烦恼却不期而至。

     同样是在1905年，爱因斯坦发表论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》，将光束描述为一群离散的光量子（简称光子），而不是连续性波动，成功地解释了光电效应现象。光量子假说，使得物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解，对波粒二象性概念的提出有着重大启发作用。

     爱因斯坦是量子力学的奠基者之一，但他不能接受新量子论提出的那些“奇谈怪论”，特别是对那个无法准确预测的概率世界，让他深恶痛绝。他说道：“上帝不掷骰子！”

     1935年，爱因斯坦、罗森和波多尔斯基设计了一个思想实验，试图批评量子力学的不完备性质。这个著名的思想实验具体设计步骤如下：

     假设有一个零自旋中性π介子，自发衰变成一个电子与一个正电子，并各自朝着相反方向移动。爱丽丝负责观测电子，鲍勃负责观测正电子。

     起初，这个实验看起来并没有什么特别之处。

     在不做观测的情况下，电子的自旋，有上旋和下旋两种可能状态，两种状况叠加在一起，每一种状况都有可能发生；正电子的自旋，也有上旋和下旋两种可能状态，两种状况叠加在一起，每一种状况都有可能发生。

     问题就出在观测之后。

     如果爱丽丝对电子做了观测，电子自旋的叠加态就会坍缩，要么是上旋，要么是下旋。同样，如果鲍勃也对正电子做了观测，正电子自旋的叠加态就会坍缩，要么是上旋，要么是下旋。

     问题来了。

     如果爱丽丝观测到电子自旋为上旋，鲍勃观测到正电子自旋为下旋，或者爱丽丝观测到电子自旋为下旋，鲍勃观测到正电子自旋为上旋，就没有问题。因为这样的观测结果遵守能量守恒定律。

     如果爱丽丝观测到电子自旋为上旋，鲍勃观测到正电子自旋也是上旋，或者爱丽丝观测到电子自旋为下旋，鲍勃观测到正电子自旋也是上旋，就严重违背了能量守恒定律。

     按照爱因斯坦他们的假设，一个电子与一个正电子分离后，就变成了两个独立的系统，不会相互干涉。因此，根据量子力学的不确定性原理，上述实验违背能量守恒定律的情况，就一定存在。

     EPR悖论同样是基于“瞬时超距不存在”的假设。

     薛定谔认真研究EPR悖论之后，在给爱因斯坦的一封信里，将EPR思想实验里“两个暂时耦合的粒子，不再耦合之后彼此之间仍旧维持的关联”总结为一个术语“Verschränkung”（德语），翻译成汉语就是“纠缠”，首次提出了“量子纠缠”这个概念。

     量子纠缠是微观世界的普遍现象。薛定谔认为，量子纠缠不只是量子力学的某个特别的性质，而是量子力学的普遍特征；量子纠缠在量子力学与经典力学之间做了一个完全切割。

     爱因斯坦本想通过“瞬时超距作用”来说明新量子论的荒谬性，但却促成了“量子纠缠”现象的发现。

     在量子物理学里，几个粒子在彼此相互作用后，会综合成为一个整体，这时候就无法单独地描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，这现象被称为量子纠缠。

     两个相互纠缠的粒子，无论相距多么遥远，只要其中一个被观测，另一个瞬间就会“感知”。爱因斯坦将这种不可思议的现象戏称为“鬼魅般的超距作用”。

     量子纠缠的“瞬时超距作用”，违反了相对论中信息传递不能超过光速的设定。爱因斯坦与薛定谔都感到很“纠结”。

     直到今天，我们仍然不知道量子纠缠的深层次本质原因，但我们可以确定它真真实实地存在着，而且还越来越多地掌握了它的具体运作机制。2017年6月16日，墨子号量子科学实验卫星实现了，两个光子1200公里量子纠缠。2019年，谷歌设计的量子计算机，证实了量子的优越性。

     用经典的时空概念，无法解释量子纠缠。瞬时超距作用，究竟是什么“鬼怪”一般的存在？也许，我们需要建立一种新的时空观念，才能理解。

     经典的时空观念认为:时间均匀地流淌，与任何外部事物都无关；空间就如同舞台背景，独立存在于事物变化之外。时间、空间和物质，三者之间没有什么关联，各自为政。爱因斯坦的广义相对论打破了绝对时空观，认为物质的质量变化能引起时空扭曲，时间、空间和物质之间存在着密不可分的内在联系。时空的几何结构是引力存在的表现形式。

     在我们的头脑里面，存在着一个顽固的定域性观念：一个特定物体，只能被它周围的力量影响；某一点的行动，要传递到另一点，中间必须要借助某种媒介。例如，一个光子，必须借助电磁场，才能从一点运动到另一点。

     不打破定域性的三维时空观念，永远无法理解量子纠缠。

     随着科学研究的不断推进，人们对时空基本性质的认识，也在逐渐深入。

     2006年，比伊利诺伊大学的科学家发现了时空的几何结构与量子纠缠存在着关联。

     2013年，普林斯顿高等研究院的物理学家和斯坦福大学的物理学家在合作研究中发现，如果两个黑洞纠缠在一起，它们就会产生虫洞，即广义相对论中所预言的一种时空捷径。这项发现及进一步的数据计算表明：过去被认为不涉及实体联系的量子纠缠，竟然能够产生出时空结构。

     量子纠缠能产生时空结构，说明“时空并不是前提，而是结果”。换而言之，时空并不是量子纠缠的场所，而是量子纠缠的产物。是物质联系产生了时空，而不是时空本来就存在那里等待物质去填充。时空并不是一个最基本的存在。

     两个纠缠粒子分离的过程，实质上是它们创造新时空的过程。两个粒子在分离的过程中建立了它们自己的新时空。当其中一个被观察，另一个立刻便“感知”，实质上它们本来就一直都是一个整体。在微观量子世界，联系是根本，时空区隔不是问题。量子纠缠更能深刻地描述宇宙万物的普遍联系。

     量子纠缠创造的时空，可能超过了三维。这样，理解量子纠缠的“瞬时超距作用”就容易了。如果将时空看成是一张平面的纸，那么发生纠缠的两点之间肯定存在着距离；如果将纸对折，就形成了高维时空，那么两个点就正好合并变成一个点，这样纠缠之间当然就不存在距离了。

     二十一世纪是量子力学的运用时代，量子纠缠已经成为一种资源，被运用到量子加密通讯和量子计算之中。量子加密通讯、量子计算机等一系列的量子技术，必将引发一场新的工业革命和信息革命。我相信，在运用的过程之中，量子理论会随着一个个的技术突破，而得到突破。一旦认清了纠缠的机制，就能够理解时空是怎么涌现出来的了。