jcjin的心情筆記

重點提要

■我們所經驗的宇宙裡，只有碰得到的東西才會直接受到我們的影響，因此這個世界似乎具有「局部性」。
■然而，量子力學透過「纏結」的性質，使兩個粒子不需中介就可互相同步，展現出超距作用。這是一種「非局部效應」。
■非局部效應不僅違反直覺，對狹義相對論也造成了嚴重的問題，物理學的根本為之動搖。

如果要移動一顆石頭，根據直覺，就是得去推它，或是拿一根棍子去碰觸它，或是下達指令，透過空氣振盪 傳播到某個人的耳朵，叫他手持棍子去戳石頭，或是其他類似的辦法；更直截了當地說，這直覺意味著東西要緊靠在一起，才能發生直接影響。如果A不在B旁邊， 但卻能影響它，那效應一定不是直接的，而是以一連串事件做連結，每個事件直接影響下一個，經由一段距離依序從A傳到B。每當我們以為找到了違反這項直覺的 例外，結果總會發現並非如此，例如，扳開開關點亮城市裡的街燈（但仔細一想這是透過電線傳遞的），或是聽BBC的廣播（但我們接著會想到這是透過空中的無 線電波）。至少，在日常生活經驗裡，我們是找不到的。

我們把這種直覺的想法稱為「局部性」（locality）。

量子力學顛覆了許多直覺，但沒有一個比推翻局部性來得更意義深遠。而且它為狹義相對論（21世紀物理學的基石之一）帶來的危機，迄今未能解決。

量子力學挑戰直覺

回溯至量子力學發展之前，以及用科學來探索自然之初，學者相信，理論上這個物理世界可以藉著世界最小、最基本的物理元素，得到完整的描述。也就是說，把所有物理元素的小故事集合起來，就可以完整表達出這個世界的故事。

但是量子力學違反了這個信念。粒子集合體所表現出的真實、可測量的物理特徵，有可能並非個別粒子特徵 的總和，甚至毫無關聯。例如，根據量子力學，我們可以讓一對粒子相距恰好兩公尺，但是兩個粒子各自卻都沒有確切的位置。除此之外，「哥本哈根詮釋」這個理 解量子物理的標準方法（於20世紀初經由偉大的丹麥物理學家波耳加以宣揚，而後一代一代傳授下去）堅持，並不是我們不知道個別粒子的準確位置，而是這個答 案根本就不存在。詢問單一粒子的個別位置，就像詢問數字5的婚姻狀況一樣，是一個毫無意義的問題。這不是知識論（我們知道什麼）的問題，而是本體論（它是 什麼）的問題。

物理學家說，以這種方式連結起來的粒子，會形成量子纏結。受纏結的性質可以不是位置：兩個粒子可以用 相反的方向自旋，但沒辦法確定何者為順時針；或是確定有一個粒子處於激發態，但沒辦法知道是哪一個。粒子的纏結和它們各自的位置、身份以及彼此的作用力無 關，原則上，它們大可以是星系兩端的電子與中子。因此，纏結讓物質以一種過去想像不到的方式產生密切關聯。

量子計算與量子密碼學是一種嶄新且潛力無窮的技術，而纏結則是幕後的推手。它們可以解決一些一般電腦實際上解決不了的問題，並且提供不會被竊聽、絕對安全的訊息傳遞方式（參見2005年2月號〈量子傳訊，絕對機密〉與2008年9月號〈用離子做量子計算〉）。

然而，纏結似乎也造成一種極度詭異、強烈違反直覺的「非局部性」現象：不需觸碰（或觸碰連鎖動作的其 中一步）就可能在物理上對某物造成影響。非局部性意味著在美國愛荷華州打出一拳，可以打落在德州的人的牙齒，完全不需透過中間各州任何物體的協助，不需動 到一顆氣體分子、電線裡的一顆電子或一束閃光。

除了這奇怪無比的特性，非局部性最令人擔心的是它對我們所知的相對論造成嚴重威脅。這個老問題在過去幾年終於得以進入物理研究的殿堂，並成為辯論重心，它或許終將使物理學的根基為之解體、扭曲、重塑、強化甚至崩壞。

實相的根本變革

愛因斯坦對量子力學有許多憂慮，對其機率本質的擔憂（他的名言：「上帝不玩骰子」）只是其中之一。但 是唯一讓他願意花時間寫篇論文正式表述反對意見的，和量子纏結的奇特性質有關，這個反對意見是EPR論證（以愛因斯坦和同事波多斯基以及羅森三位作者的姓 式縮寫來命名）的核心（參見42頁〈EPR想像實驗〉）。在他們1935年的論文〈量子力學對物理實在性的描述是完備的嗎？〉中，他們的論證嚴謹地回答 「不」。

他們的關鍵論證運用到量子力學（或其數學算則）裡的一項特性來預測實驗結果。假設我們要測定一個粒子 的位置，而它與另一個粒子有量子纏結，如前所述，它們個別都不會有準確的位置。但當我們得知測量結果後，因為知道了第一個粒子的位置，所以對它的描述自然 會改變。然而算則告訴我們，對第二個粒子的描述也得瞬間改變，不管它的距離有多遠，或兩個粒子間是否隔著其他東西。