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光速、超光速、因果悖論:量子力學的根源,或許就是相對論!


博科園從一開始,量子力學就一直以其難以理解的奇特之處讓人們驚嘆不已。為什麼一個粒子似乎同時通過兩個狹縫?為什麼我們只能談論機率的演變,而不是...

- 2020年4月03日09時26分
- 科學文摘 / 博科園

博科園

從一開始,量子力學就一直以其難以理解的奇特之處讓人們驚嘆不已。為什麼一個粒子似乎同時通過兩個狹縫?為什麼我們只能談論機率的演變,而不是具體的預測呢?根據華沙大學和牛津大學的理論家的所說:量子世界最重要的特徵可能來自狹義相對論,而到目前為止,狹義相對論似乎與量子力學關係不大。自從量子力學和相對論問世以來,物理學家們就因為這些概念的不相容,而不舍晝夜的思索。

科學家普遍認為,量子力學的描述是更基本的,相對論必須與之相適應。華沙大學(FUW)物理系Andrzej Dragan博士和牛津大學(UO)ArturEkert教授現在提出了他們的推理《相對論的量子原理》,得出了不同的結論,其研究成果發表在《新物理學》期刊上,證明了量子力學的特性,決定了量子力學的獨特性和量子力學的非直觀差異,更重要的是,作為公理,可以在狹義相對論的框架內加以解釋。


阿爾伯特·愛因斯坦把狹義相對論建立在兩個假設之上,第一個被稱為伽利略的相對論原理(這是哥白尼原理的特例),這說明物理在每個慣性系統中都是相同的(即靜止或穩定直線運動的慣性系統);第二個假設是根據著名的麥可遜-莫利實驗結果提出的,它要求每個參考系的光速都是恆定的。愛因斯坦認為第二個假設至關重要,實際上,至關重要的是相對論原理。

狹義相對論的三個正確解

早在1910年,弗拉基米爾·伊格納托夫斯基就表明:只有基於這一原理,才有可能重建狹義相對論的所有相對論現象。1992年安德烈·西馬查教授也提出了一個極其簡單的推理,直接從相對論原理引出相對論。愛因斯坦認為第二個假設至關重要,實際上,關鍵是相對論原理。早在1910年,弗拉基米爾·伊格納托夫斯基就表明:只有基於這個原理,才有可能重建狹義相對論的所有相對論現象。

狹義相對論是一個連貫的結構,它允許三種數學上正確的解:以亞光速運動的粒子世界,以光速運動的粒子世界,以及以超光速運動的粒子世界,然而,這第三個正解一直被認為與現實無關而被拒絕。新研究提出了一個問題:如果暫時不涉及解決方案的物理或非物理性質,認真對待的不是狹義相對論的一部分,而是它的全部,以及超光速系統,會發生什麼?而且預計會出現因果悖論。

同時,我們看到的,正是構成量子力學最深核心的那些效應。最初,兩位理論家都考慮了一種簡化的情況:具有所有三正解的時空,但只包含一個空間維度和一個時間維度(1+1)。一種溶液體系中的靜止粒子,似乎在另一種溶液體系中以超光速運動,這意味著超光速本身是相對的。在以這種方式構建的時空連續體中,非確定性事件自然發生。如果在A點的一個系統中有超光速粒子產生,甚至是完全可預測的。

向B點發射,那裡根本沒有關於發射原因的信息,那麼從第二個系統中觀察者的觀點來看,事件從B點運行到A點,所以它們從一個完全不可預測的事件開始。事實證明,類似效應也出現在亞光速粒子發射的情況下。兩位理論家還表明:在考慮了超光速解之後,粒子在多個軌跡上的運動同時出現是自然的,描述事件的過程需要引入表明存在狀態疊加的組合機率幅度之和,到目前為止,這一現象只與量子力學有關。


在三個空間維度和一個時間維度(3+1)的時空的情況下,也就是對應於我們的物理現實,情況就更複雜了。最初形式的相對論原理沒有保留,即亞光速系統和超光速系統是可以區分的。然而,研究人員注意到,當相對論原理被修改為這樣的形式:以局部和確定性的方式,描述事件的能力不應該取決於慣性參考系的選擇」時:它將解決方案限制在那些從(1+1)時空中考慮的所有結論仍然有效。

相對論與量子力學


而且研究還注意到了對單個維度的作用進行有趣解釋的可能性。在觀察者看來超光速的系統中,一些時空維度似乎改變了它們的物理角色。只有一個維度的超光速光具有空間特徵——粒子沿著這個維度移動,其他三個維度似乎是時間維度。空間維度的一個特徵是,粒子可以在任何方向上運動或保持靜止,而在時間維度上,它總是在一個方向上傳播演變(老化)。

因此,超光速系統的三個時間維度和一個空間維度(1+3)將意味著粒子不可避免地同時老化三倍。在超光速系統(1+3)中,從亞光速系統(3+1)觀察到的粒子老化過程看起來就像球面波一樣運動,導致著名的惠更斯原理(波面上的每個點都可以看作是新球面波源)和波粒二象性。考慮與一個看似超光速系統有關的解決方案時,出現的所有奇怪之處,其實並不比人們普遍接受並經過實驗驗證的量子理論更奇怪。

相反,考慮到一個超光速系統,我們可以至少在理論上:從狹義相對論中推導出量子力學的一些假設,而這些假設通常被認為不是由其他更根本的原因造成。近一百年來,量子力學一直在等待更深層次的理論來解釋其神秘現象的本質。

如果華沙大學和牛津大學物理學家提出的推理經得起時間考驗,歷史將殘酷地嘲弄所有的物理學家。幾十年來一直在尋求解釋量子力學獨特性的「未知」理論,將是從量子理論第一部作品中就已經知道的東西。


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