狹義相對論的危機

撰文╱艾伯特（David Z Albert）、加千（Rivka Galchen）
翻譯╱張明哲 
 

　　 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。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。

　　 量子力學出現在物理學家的眼前時，纏結對世界圖像的建立並沒有造成爭議，只是在愛因斯坦之前，沒有人對它的意涵多做深思。但愛因斯坦看出了纏結不只怪，還很可疑，讓他覺得很詭異，特別是，它似乎具有非局部性。

　　 不論是愛因斯坦、波耳或其他人，當時都沒有心理準備，世界上竟然可能真的發生物理非局部性。在論文裡，愛因斯坦、波多斯基和羅森理所當然地認為量子力學中明顯的非局部性，必然只是表面的，純粹只是某種數學上的異常，或是由於符號的不恰當。無論如何，它必然是算則裡可去除的假象，即使不用任何非局部性的步驟，量子力學也一定能預測實驗結果。

　　 EPR論證基本上是說，如果（一如大家所想）世界上不存在真正物理上的非局部性，而且量子力學對實驗的預測是正確的，那麼量子力學在解釋世界上的各種行為時，一定有漏洞，必然有一部份的東西是它沒辦法處理的。

　　 而波耳只花了一個晚上就對EPR論文做出回應。他急切地寫了一封信反駁，內容完全沒有涉及論文裡扎實的科學論證，而是對「實在性」以及「物理實在性的成份」的定義有意見。他的用語含糊、有時根本就像是神諭，叨叨絮絮地陳述主體與客體的區別，並提到在什麼條件下問問題才有意義，以及人類語言的本質。對波耳來說，科學所需要的是「我們對物理實在性的態度必須有根本的變革」。

　　 不過，波耳倒是同意EPR論文中的一點：物理的非局部性確實存在。他指出，這種非局部性的現象，正給了我們一項理由，說明為何我們必須揚棄EPR論證裡那種古怪且過時的渴望，渴望能從量子力學方程式讀出世界實在性的圖像，那種連續產生、確切存在於我們眼前的圖像。波耳強調，實際上我們不只是透過一副漆黑的眼鏡在看世界，而且眼前的黑影與不確定的景色，就和一般實物同樣真實。

　　 顯然，波耳的文章是以哲學來回應一個清晰的科學質疑。更有意思的是，這個回應被神格化，成了理論物理的真理。從此以後，在這個議題上多花點心思，倒成了叛教的行為。因此，有一段很長的時間，物理學界對「世界到底像什麼？」這個人們內心深處的渴望轉身不顧，而將這個形上學的問題丟給奇幻文學。

　　 即使在今日，這個愛因斯坦留給後世的關鍵部份，仍舊晦澀不清。2007年，伊薩克森（Walter Isaacson）寫的愛因斯坦暢銷傳記裡，只有向讀者擔保，愛因斯坦對量子力學的批評已經獲得解決了。但是這並非事實。

【本文轉載自《科學人雜誌》2009年4月號】