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【廣相百年】愛因斯坦與量子纏繞(三之一):超距幽靈重臨世界

2015/11/27 — 14:33

Spiral matrix by Sam Brown visionary art / Sacred Geometry

Spiral matrix by Sam Brown visionary art / Sacred Geometry

百年前今日(編按:1915.11.25),愛因斯坦在普魯斯科學院發表重力場方程式,宣告廣義相對論的誕生。從此時空和物質渾然天成,徹底改寫人類的宇宙觀。來自宇宙初開的光,將會解開大爆炸創世之謎,讓科學家重構地球生命和天上繁星一百四十億年的演化,譜寫現代人引以為傲的大歷史。

「時空教物質如何運動,物質教時空如何彎曲。1」——John Wheeler 筆下的廣義相對論世界

其後的十五個月,以及 1905「奇蹟一年」,同為愛因斯坦科學成就的顛峰。廣義相對論之後,科學巨人埋首尋求終極理論,希望統一當時所知的大自然全部——重力和電磁力,拒絕登上急速前行的快車,晚年在世人的愛載下斯人獨憔悴。然而,在一篇  1935 年發表的經典論文中,愛因斯坦質疑量子力學未能完整地描述物理世界,矛頭直指未受正視的「超距作用 (action at a distance)」;這個令他「毛骨悚然  (spooky)」的量子理倫預言,薜定格稱為「量子纏繞 (quantum entanglement)」,在80 年後的今天,再度降臨古典物理世界,挑戰科科家的基礎信念。

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在現代宇宙觀誕生百週年的大日子,適逢量子纏繞研究剛在上月突破一個重要哩程碑關口,今日就以此為文,以紀念愛因斯坦罕為人知的先見,順道澄清世人對他冷對量子學說的誤解。

量子纏繞很難纏。求學時曾任「不需要數學的物理」助教,深明以平常的語言叙述尖端物理概念,難度遠超博士資格試的教授團提問,但我卻樂在其中。愛因斯坦好像這樣說過,「如果不能清楚地解釋,你未完全明白。」量子纏繞誤闖古典物理世界,一直被渲染成超自然科幻現象。我希望不需要術語和數學公式,亦不必依仗大師之名,就能還它一個物理真相;更要讓科幻迷失望:儘管令愛因斯坦毛骨悚然,量子纏繞使出的超距作用「魔法」終究是自然現象,不會令傳說中的隔空送物成真。

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I

科學史的分水嶺:近距唯實論已死

隨著一個愛因斯坦至死不渝的哲學信念幻滅,科學史正悄然越過分水嶺。上月 21 日,荷蘭 Delft 大學團隊率先完成始自 70 年代的「貝爾不等式」實驗2,首次嚴謹地否定「近距唯實論 (local realism)3」,承認愛因斯坦不能接受的超距作用確實在微觀世界存在。

發表論文的 Nature 期刋以《實驗宣判近距唯實論 (local realism)2之死》為題報導,宣告「基礎科學的近距唯實論假設與量子力學的預測有矛盾,而這些預測現已在無漏洞的實驗當中得到證實」。有中文媒體誤為「超光速瞬間移動」的科學幻想,懵然不知,動搖科學根基的「超距 (non-locality)」幽靈已在物理世界遊蕩。

兩星期多後,美國國家度量衡標準機構 (NIST) 團隊公佈4,以另一個不同設計的實驗錄得更肯定 (5 𝜎) 的結果。量子專家 Howard Wisemen 教授認為,實驗在「近距唯實論」棺材上再增最後一顆釘,即將入土為安。

超距作用逐出古典物理世界

百年前廣義相對論誕生後,科學家逐步以物理定律描述宇宙一切的生成及演化,成功建構了大爆炸起源、天體生滅等等科學論述,作出黑洞、重力波種種引人入勝的猜想。百年以來,廣義相對論通過了無數驗證,成為大自然四大作用力之一的重力及現代宇宙學的基礎。

1915 年 11 月 25 日那天,愛因斯坦還將超距作用驅逐出古典物理世界。上世紀初,馬克士威電磁力方程組及狹義相對論相繼完成,時空不再永恆不變,唯有光速獨一無二,是宇宙一切物質和訊息的運動極限。及至瞬間隔空傳遞重力的牛頓學說被廣義相對論取代之後,古典物理世界裡再沒有猶如心靈感應幻象的超距作用,一切自然現象只能在光速可及的近距時空內發生:相互作用必須通過近距接觸,即使隔空作用,亦必須以實存的物質——包括光——作為中介。

自然現象局限在光速可及的「近距 (local)」,以及物質客觀地存在的「唯實 (realism)」信念,構成「近距唯實論 (local realism)」哲學基礎,讓科學家建構一個因果有序,沒有無中生有超現實幻象的古典物理世界 (reality)。

量子纏繞的超距幽靈

想不到,超距作用的幽靈卻藏身在愛因斯坦共同創立的量子世界。1905 年,狹義相對論發表的同年,任職瑞士版權局的年青愛因斯坦在光電效應中發現光同時具有波動和粒子兩種性質,無意中成為量子學說之父之一,並憑此獲得諾貝爾獎。隨後 20 多年間,愛因斯坦全情投入廣義相對論的無垠宇宙,薜定格和海森堡已完成探索微觀世界的量子力學。

在物理世界的最深層,我們賴以識辨一切的宏觀概念不再適用。限界分明的顆粒的和平滑無瑕的波動,放大到最微最細,都不再分明,不再平滑;任何物質都既是粒子,又是波動;它們的物理特性只能通過觀察,反咉到人所能理解的測量數據及想像模型。在量子世界,粒子的物理特性在測量之前不能確定,全部可能性同時存在,只能以概率描述;若某種物理特性在測量後顯現,之前的其它可能性就立刻消失。

假如有兩顆粒子曾在近距交往,或由一分為二,量子力學視之為一顆較大的粒子,兩顆粒子分離後亦為視為同一個整體,直到受外力影響分離為止。若測量兩顆之一,整體的物理狀態就確定,另一顆亦必同時顯現關連的狀態,不管相隔多遠,關連亦不會減弱。這兩顆粒子之間,有著猶如心靈感應的 100% 關連,無分因果,無遠弗介,就是薜定格稱為「量子纏繞」,令愛因斯毛骨悚然的「超距作用」。適逢其會的新書 "Spooky Action At A Distance” 中,作者 George Musser 以兩個魔術錢幣作比喻:即使銀河兩岸相隔,它們永遠都會擲出相同結果。據 2008 年 Gisin 團隊的實驗估計,超距作用將量子纏繞的關連在瞬間傳遞,比光最少快一萬倍4

暫時可以放心,量子纏繞的超距關連並不構成顛倒時序的超光速物理現象。但愛因斯坦早有預感,這個近距唯實論未能容納的不速之客,將會從最深層顛覆古典物理世界。

(待續)

  1. John Wheeler, “Space tells matter how to move; matter tells space how to curve.”
  2. B. Hensen et al., "Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometers." Nature 526, 682–686 (29 October 2015) doi:10.1038/nature15759
  3. Local realism,我譯作近距唯實論,便於與 action at a distance(超距作用)對應。香港科學哲學專欄作家何宇澄遺作《不被觀察的月亮存在嗎》譯為「定域實在論」,台灣則多譯作「近距實體/實在論」。
  4. Daniel Salart, Augustin Baas, Cyril Branciard, Nicolas Gisin & Hugo Zbinden, "Testing the speed of 'spooky action at a distance’."Nature 454, 861-864 (14 August 2008) | doi:10.1038/nature07121
  5. "The immediate significance of the reported experiment, however, is in hammering the final nail in the coffin of local realism. Some almost metaphysical loopholes remain open — if the results can be replicated with humans, rather than machines, freely choosing the measurement settings and consciously registering the outcomes, then the coffin will have been interred and buried.":  Howard Wiseman, "Quantum physics: Death by experiment for local realism." Nature 526, 649–650 (29 October 2015) doi:10.1038/nature15631

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