超越相對論

歷經(jīng)世紀風雨的相對論如今仍然是21世紀物理學大廈的基石。

但是，自從1978年克勞瑟和1982年阿斯佩驗證了貝爾不等式不成立之后，相對論的基礎——光速不變，或者說，光速是自然運動的極限這一“金科玉律”被否認。

特別是以后的關于多光子的量子糾纏的實驗研究，更是證明了在量子世界中，相互作用可以超越空間、超越光速，是非定域的。以至于有的物理學家開玩笑說，在量子世界中存在“精靈古怪”，當然這只是萬般無奈的物理學家自我嘲諷的一種方式。

在量子世界中，相對論的基本假設完全失效，已成為21世紀物理學一個最具挑戰(zhàn)性的難題。

EPR關聯(lián)之謎

量子理論被建立之后，關于量子理論的哲學基礎，存在著以愛因斯坦這些古典式物理學家為首的柏林學派和以玻爾那群新生代物理學家為代表的哥本哈根學派的爭論。

在歷次索爾維會議上，愛因斯坦和玻爾兩大陣營就量子理論的哲學基礎進行過數(shù)場針鋒相對的辯論。最后，愛因斯坦和玻爾之間的辯論因希特勒上臺之后迫害猶太人，愛因斯坦被迫離開德國而結束。

來到美國普林斯頓定居的愛因斯坦和他的兩位年輕同事波多爾斯基與羅森，在20世紀30年代又向遠在歐洲大陸的玻爾發(fā)難，這次的發(fā)難是針對“測不準原理”。挑戰(zhàn)的論文按三位作者名字的第一個英文字母縮寫，被簡稱為EPR佯謬。

EPR佯謬是這樣的。

設想處于所謂單態(tài)的一對粒子（比如電子），它們的自旋互相抵消，這樣總自旋就為零。假設粒子A和粒子B被分開，沿某一個方向測定粒子A的自旋，結果為“向上”；由于這個粒子對的自旋為零，這就意味著，沿同一方向測定粒子B的自旋總是“向下”的。

但是，按照以玻爾為代表的哥本哈根學派的解釋，粒子A的自旋在被測定之前是沒有確定值的。在測定粒子A自旋的時候，必然會對粒子B產(chǎn)生瞬間的作用，使B的自旋波函數(shù)坍縮至相反的狀態(tài)，即“向下”的狀態(tài)。而這種異乎尋常的作用機制要求有超距相互作用，或者超光速的傳遞。但這在相對論看來，是不允許的。

愛因斯坦和他的合作者確信，這一現(xiàn)象預示了量子理論和相對論的沖突，因而量子理論是不完備的。這個重要的觀點，就是愛因斯坦學派的“可分離原則”，也就是后來所謂的“局域性原理”。當愛因斯坦有關局域性原理的論文被玻爾看到后，玻爾的反應很平淡。他還是哥本哈根學派的老觀點，認為“主客體不可分”，堅持粒子行為的概率解釋，認為微觀世界有不同于宏觀世界的“特殊規(guī)律”，EPR關聯(lián)并不說明量子理論的不完備性。

顯然，玻爾的回答過于蒼白無力，沒有涉及EPR關聯(lián)之謎的核心：一旦EPR關聯(lián)存在，經(jīng)典的量子理論和相對論將會嚴重沖突。

在20世紀30年代后的很長一段時間里，對于如何驗證EPR關聯(lián)，許多一流物理學家都試圖嘗試，但無一例成功。1960年，天才的北愛爾蘭物理學家貝爾利用歐洲粒子研究中心的1年學術休假潛心研究，最終提出了一種大膽的不等式來檢驗EPR關聯(lián)之謎。

貝爾不等式的提出與驗證

為了推導出不等式，貝爾引用了前人一些公認的經(jīng)典理論，此外他假定愛因斯坦的局域性原理是正確的。如果將來有實驗驗證了這個不等式不成立，那么不是量子理論的前提錯誤，就是自然界存在的“非局域性”導致了不等式的不成立。

1978年，美國加利福尼亞大學伯克利分校的克勞瑟，以及1982年法國巴黎的阿斯佩，都相繼在實驗上發(fā)現(xiàn)了貝爾不等式不成立的實驗證據(jù)。實驗證實，盡管從表面上看局域性有道理，但是，量子世界實際上是由一種看不見的未知原理所支配的，它不需要中介，以超光速作用或者瞬時作用相聯(lián)系。這對相對論中“運動不能超光速”的觀點無疑是最沉重的打擊。

近年，物理學家已經(jīng)將光子作用的數(shù)量從早先的2個光子提高到8個光子，同樣違反貝爾不等式。同時，物理學家在20世紀90年代初又為這一現(xiàn)象取了一個名字，也就是“量子糾纏”。

目前，物理學家正在將光子作用的數(shù)量推廣到16個光子的體系。

量子糾纏對當代物理學的沖擊

量子糾纏已被發(fā)現(xiàn)40年了。目前，物理學家正在將其推廣至多光子體系，并試圖用量子糾纏實現(xiàn)遠距離通訊，以及開發(fā)量子計算機等等。

量子糾纏的非局域性特征是對經(jīng)典相對論的巨大沖擊。相對論的第一個經(jīng)驗假設——光速不變原理，在量子糾纏的存在下失效了。在量子糾纏的世界中，粒子之間的相互作用可以是超越時空的瞬時作用，它甚至不需要任何中介媒質。但是，直到今天，為什么在量子體系中會存在“超越時空的‘瞬時作用”’這種顯然和相對論沖突的現(xiàn)象，物理學家仍然一無所知，只是在黑暗之中猜測。

近年，有學者提出了一個“相位空間理論”的觀點，并試圖以此來解釋量子糾纏。但是，由于這個理論依然建立在經(jīng)典的量子理論基礎上，沒有什么新的物理學原理被加入，所以，只是作為一種嘗試，并沒有得到物理學界的認同。

同樣，也有人試圖修改相對論以使其和量子理論兼容，但是，卻繞不開以光速不變?yōu)榍疤岬幕炯僭O。

可以這樣說，在這個已被發(fā)現(xiàn)了40年之久的新的量子糾纏的世界中，當代物理學家仍然一籌莫展。承認量子糾纏的存在，就等于承認在量子世界中相對論的基本假設之一——光速不變原理——是錯誤的，這樣，整個相對論物理學的大廈將被顛覆。但是，為了一個未來的、新的物理學大廈，超越相對論是必須的。

科學的進步總是在新發(fā)現(xiàn)的基礎上提出新的理論取代舊的理論。源于20世紀30年代的EPR關聯(lián)之謎，到了20世紀80年代得到實驗驗證，從而引出量子糾纏這一新現(xiàn)象。這一奇特的現(xiàn)象挑戰(zhàn)了已經(jīng)歷經(jīng)一個多世紀風雨的相對論中的基本假設（光速不變，即光速是自然界運動的極限），也為相對論的終結打開了希望之門。

進入21世紀后，物理學家又將量子糾纏的粒子數(shù)目推廣到多光子體系。隨著實驗的深入，相信會有一個新奇的物理學世界呈現(xiàn)在眼前，相伴的物理學新原理將會被發(fā)現(xiàn)，從而超越已經(jīng)經(jīng)歷一個世紀風雨的相對論。

（張小寧 插圖）