經過了很長時間,相對論依然是21世紀數學學建設的基石。
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但是,自從克勞塞爾在1978年和阿斯珀在1982年證明貝爾不方程不創立以來,相對論的基礎——光速不變,或則說,光速是自然運動的極限這一“金科玉律”被證實。
非常是后來對多光子量子糾纏的實驗研究證明,在量子世界中,互相作用可以趕超空間和光的速率,而且是非局域的。所以一些化學學家開玩笑說量子世界里有“小精靈的怪癖”,其實,這只是所有無助的化學學家調侃的一種形式。
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在量子世界中,相對論的基本假定是完全無效的,這早已成為21世紀數學學中最具挑戰性的問題之一。
EPR關聯之謎
量子理論完善后,以愛因斯坦為代表的古典數學學家的柏林學派與以博爾納為代表的阿姆斯特丹學派在量子理論的哲學基礎上展開了爭辯。
在之前的索爾維大會上,愛因斯坦和波爾就量子理論的哲學基礎進行了幾次針鋒相對的辯論。最后,當希特勒上臺并殘害猶太人,愛因斯坦被迫離開美國時,愛因斯坦和波爾之間的爭辯結束了。
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愛因斯坦和他的兩個年青的朋友,波多爾斯基和羅森,來到耶魯學院移居國外。她們在20世紀30年代又對玻爾進行了一次功擊,目標是“不確定原理”。挑戰論文由三位作者名子的第一個中文字母簡寫為EPR。
這就是EPR悖論
想像一對粒子(如電子)處于所謂的單態,它們的載流子互相抵消,因而總載流子為零。假定粒子A和粒子B分離,檢測粒子A沿一定方向的載流子,結果為“上”。因為粒子對的載流子為零,這意味著粒子B的載流子總是順著相同的方向“向下”。
但是,按照波爾所代表的阿姆斯特丹學派的解釋,粒子A的載流子在被檢測之前沒有確定的值。當檢測粒子A的載流子時,不可防止地會對粒子B形成瞬時影響,使粒子B的載流子波函數坍縮到相反的狀態,即“向下”狀態。這些不尋常的作用機制須要超距離的互相作用,或超光速的傳輸。但從相對論的觀點來看,這是不容許的。
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愛因斯坦和他的合作者確信,這些現象喻示著量子理論和相對論之間的沖突,量子理論是不完整的。這個重要的觀點就是愛因斯坦學派的“可分離原理”,后來被稱為“局部性原理”。當玻爾閱讀愛因斯坦關于局部性原理的論文時,玻爾的反應十分平靜。他依然持有阿姆斯特丹學派“主體和客體是不可分割的”的舊觀點,堅持粒子行為的幾率解釋,覺得微觀世界與宏觀世界有著不同的“特殊規律”。EPR相關并不能解釋量子理論的不完全性。
其實,波爾的回答過分慘白,未能解決EPR相關性困局的核心:一旦EPR相關性存在,精典量子理論與相對論將發生嚴重沖突。
在20世紀30年代之后的很長一段時間里,許多一流的化學學家企圖驗證EPR的相關性,但沒有一個人成功。1960年,才氣橫溢的北愛爾蘭化學學家貝爾(Bell)從法國粒子研究中心(CERN)休了一年的學術假,最終提出了一個大膽的不方程來測試EPR的相關疑團。
貝爾不方程的提出與驗證
為了推論不方程,貝爾引用了前人的一些知名精典理論。據悉,他還假定愛因斯坦的局部性原理是正確的。假如未來的實驗證明不方程是無效的,這么造成不方程的要么是量子理論的前提錯誤,要么是自然界的“非局部性”。
1978年,韓國加洲學院伯克利校區(of,)的克勞瑟()和1982年美國倫敦學院(Asper)的阿斯珀(Asper)發覺了貝爾不方程不創立的實驗證據。實驗證明,盡管局部性在表面上是合理的,但量子世界實際上是由一種看不見的、未知的原理支配的。它不須要中介體,通過超腔或瞬時效應聯接。這無疑是對“運動不能超過光速”的相對論最嚴重的嚴打。
近些年來,化學學家將光子互相作用的數目從2個降低到8個,這也違背了貝爾不方程。同時,在20世紀90年代初,化學學家將這些現象命名為“量子糾纏”。
目前,化學學家正在將光子互相作用的數目擴充到16個光子系統。
量子糾纏對當代數學學的影響
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量子糾纏早已被發覺40年了。目前,化學學家正在將其擴充到多光子系統,企圖通過量子糾纏實現遠距離通訊,并開發量子計算機。
量子糾纏的非局部性對精典相對論有很大的影響。相對論的第一個經驗假定,即光速不變原理,在量子糾纏的情況下失敗了。在量子糾纏的世界里,粒子之間的互相作用可以趕超時間和空間的頓時物理量子糾纏,甚至不須要任何介質。但是,到目前為止,化學學家還不曉得為何量子系統和相對論西甲越時空的“瞬時作用”與相對論之間存在著顯著的沖突,只能在黑暗中推斷。
近些年來,一些學者提出了“相空間理論”來解釋量子糾纏。但是,因為該理論依然是基于精典量子理論,并沒有添加新的數學原理,這只是一種嘗試,并沒有得到數學學界的認可。
同樣,有些人企圖更改相對論使之與量子理論相容,但她們難以防止光速是恒定的這一基本假定。
可以說,在一個新的量子糾纏早已被發覺了40年的世界里,當代數學學家一直不知所措。承認量子糾纏的存在就等于承認量子世界中相對論的一個基本假定,光速恒定的原理是錯誤的,因而顛覆了相對論數學學的整個構架。但對于未來,新的數學建設,趕超相對論是必要的。
科學的進步總是在新的發覺的基礎上提出新的理論來取代舊的理論。EPR相關之謎起源于20世紀30年代物理量子糾纏,并在80年代得到了實驗驗證,因而造成了量子糾纏的新現象。這個奇異的現象挑戰了一個多世紀以來的相對論基本假定(光速是自然運動的極限),為相對論的終結打開了希望之門。
在21世紀,數學學家早已將量子糾纏粒子的數目擴充到多光子系統。隨著實驗的深入,相信我們面前將會有一個新的數學世界,驟然而至的化學新原理將會被發覺,這將會趕超早已走過一個世紀的相對論。