量子力学中的非定域性是该理论最奇特且富有争议的特性之一,它挑战了我们对物理世界 “局部作用” 的经典认知,即物体的相互影响只能通过有限速度(如光速)传递的信号来实现。
一、什么是非定域性?
非定域性指的是:在量子系统中,两个或多个粒子即使相距遥远(甚至光年尺度),它们的量子状态仍可能存在即时的关联 —— 对其中一个粒子的测量会瞬间影响另一个粒子的状态,这种影响不依赖于任何传递信号的媒介,也不受光速限制。
这种关联被称为 “量子纠缠”,而非定域性正是量子纠缠的核心特征。
二、非定域性的起源:从 “EPR 佯谬” 到贝尔不等式
爱因斯坦(Einstein)、波多尔斯基(Podolsky)和罗森(Rosen)共同提出了一个思想实验,旨在质疑量子力学的完备性。他们认为:如果两个粒子纠缠,对粒子 A 的测量会瞬间决定粒子 B 的状态(即使它们相距很远),这意味着要么量子力学不完备(存在未被发现的 “隐变量”),要么存在 “超距作用”—— 而爱因斯坦坚信 “超距作用” 违反相对论(光速不可超越),因此量子力学一定不完备。
物理学家约翰・贝尔(John Bell)提出了一个数学不等式,用于判断量子纠缠是否真的存在非定域性,还是可以用经典的 “隐变量” 解释。如果存在隐变量(即爱因斯坦的观点正确),实验结果会满足贝尔不等式;如果量子力学的非定域性成立,实验结果会违反贝尔不等式。
法国物理学家阿兰・阿斯佩(Alain Aspect)等人通过实验首次证实:量子纠缠系统的测量结果确实违反贝尔不等式,这意味着爱因斯坦的 “隐变量” 理论不成立,非定域性是量子力学的固有属性。
后续的实验(如 2015 年的 “无漏洞贝尔实验”)进一步排除了所有可能的经典解释,彻底确认了非定域性的存在。
三、非定域性的特点与误解
无法传递有效信息
尽管纠缠粒子的状态会即时关联,但这种关联是随机的:对粒子 A 的测量结果是随机的,粒子 B 的状态虽被瞬间影响,但其结果也是随机的,无法被控制。因此,非定域性不违反相对论—— 因为它不能用于传递任何有意义的信息(信息传递仍受光速限制)。
与 “超距作用” 的区别
经典物理中的 “超距作用” 指主动传递力或信号(如牛顿的万有引力最初被认为是超距的),而非定域性是量子态的关联,不涉及能量或信号的传递,更像是一种 “量子层面的整体性”—— 纠缠粒子本质上是一个不可分割的整体,无论相距多远。
不依赖空间距离
非定域性的关联强度与粒子间的距离无关,即使两个粒子分别在地球和火星,关联依然即时存在。
非定域性是量子力学中最反直觉的特性之一,它通过实验被证实,却至今仍挑战着人类的直觉和对物理世界的理解。它告诉我们:在微观尺度,粒子之间的关联可以超越空间限制,形成一个不可分割的整体,这种 “整体性” 正是量子世界的核心奥秘之一。
正如物理学家理查德・费曼所说:“没有人真正理解量子力学。” 非定域性的深层本质,或许仍是未来物理学需要探索的重大课题。