虽然很多这样的隐变量理论过分复杂,把量子力学的简洁完全破坏了,但是当时人们还是觉得,这类努力是有益的。
随后,爱因斯坦意识到,更加严重的问题出现了:量子力学是非定域的。
什么叫做非定域呢?就是说,某个物理事件的发生会在瞬间影响到空间中很广泛的范围,甚至是无穷远处。比如说,我们在自己房子里发生了一件事,会不需要任何时间,瞬间对宇宙边缘的星云产生了影响。
其实在我们前面谈到波函数和波函数坍缩的时候,这种非定域性的影响就已经随处可见了,只不过你可能还没有注意到。一个波函数,根据玻恩规则,它意味着一个粒子在空间各个地方可能出现的概率。而在坍缩时,会同时改变整个空间的概率分布,这本身就是一个非定域性的源泉。
比如说,我们有一个位置不确定度很高的电子,它的波函数在空间分布很宽,也就是说它在一个广袤空间中随处都有出现的可能。当我们对它进行观测的时候,它各个位置的叠加态迅速坍缩成一个确定的本征态,出现在空间中的某一个点(我们把它叫做A点)。那么这时我们立刻知道,这一瞬间,这个电子在空间其余的任何地方,无论距离有多远多近,都不可能出现。
此时,如果空间中有另外一个电子,那么两个电子之间就会互相影响。比如说,因为相互之间的斥力,一个电子出现概率高的地方,另外一个就不大会出现在附近。此时,如果我们观测了其中一个电子A,就会瞬时改变它的量子态,使其在空间的分布清零。那么,另一个电子B的分布也就会瞬时受到影响。因为B的概率是受到A的概率影响的,观察之后,A坍缩了,变成了确定值,那么此时B的概率就会受到这个确定值的影响,所以分布就不可避免地因此变化:也就是说,对A的观测瞬间就影响远方的B。
按照经典图景的看法,或者是“隐变量”理论的看法,这个过程是没有任何“瞬间影响”的。原因是,两个电子在空间概率性的分布,只是因为我们的无知造成的:两个电子都有确定的位置,只是我们不知道而已,并不是它们真的在空间中弥散开的。我们测量A,得到A的位置信息后,同时改变了B的空间概率,但是,这个瞬间发生变化的只是我们对B的知识,而不是B的状态。而按照量子力学的看法,两个电子的量子态就是它们运动状态的全部,当A坍缩时,B的改变,是其量子态实实在在的改变。因而,我们对A的改变,实实在在地瞬间改变了B的状态。
物理学家为何对“非定域性”如此敏感?因为物理学中,任何影响都是局部的,有传播速度的。A的变化不是不可以影响到远方的B,但是这个影响是以一定的速度传播过去的,而不是瞬间跨过千山万水。这个传播的速度有一个上限,就是光速。比如说,你在远方喊我,必须是你先喊,过一点时间后,我才能听到。再比如,我们看到的远方的星星,其实是它们以前的样子,因为光通过如此遥远的距离传播过来花了一段的时间。还有,如果现在我们的太阳突然发生了大爆炸毁灭掉了,我们是不会立即知道的,直到8分钟以后我们才知道,因为那是光从太阳跑到地球所用的时间。
相对论告诉我们,任何信息传播的速度都不可能超过光速。如果有超光速发生,会发生什么呢?那时会引起因果关系的错乱,一件事的起因还没发生,可是它的后果却可能已经出现了;或者说一个人穿越时空回到过去杀掉自己的外祖母阻止自己出生,如此等等,天下大乱。因此科学家们是不会容忍超光速现象的发生的。
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