量子纠缠会破坏引力场中时间的相对性吗?

 新闻资讯     |      2020-06-10 09:19

学生时期心中一直有一个困惑:既然量子纠缠是一种瞬时的信息传递,那么这种超距“作用”会不会引起引力场中时间相对性的某种“破缺”,也就是引力场中不同位点上的纠缠态粒子会不会因为相互纠缠而使得它们的时间流逝快慢相同?

熟悉广义相对论的朋友知道,引力场中不同位点的场强由混合形式的克氏符号Γ来表示,而Γ的全部分量都是曲线坐标(x0,x1,x2,x3)的函数,因此时间度规g00也是曲线坐标(x0,x1,x2,x3)的函数,这意味着引力场中不同位点的固有时(静止在该点上的时钟所指示的时间),是不一样的,其中固有时τ= (g00 ^1/2)t/c。

而量子纠缠是一种超距的瞬时作用,我们设想两个粒子静止在引力场中的A、B两点,那么粒子A、B如果处于纠缠态,瞬时的信息传递就会使得粒子A、B具有相同的固有时,也就是说A、B上时间流逝的快慢是一样的。

但是广义相对论又决定了A、B上的时间流逝快慢是不一样的。这个矛盾该怎样解决?我们先来看看什么是量子纠缠。

量子纠缠的原型最初出现于20世纪20年代爱因斯坦、波多尔斯基、罗森合作的论文《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?》中。

爱因斯坦等人通过量子世界中可能出现的“超距作用”现象,详细指出了量子力学在理论框架上的一些缺陷,他们认为量子力学不能对粒子的动量、位置等共轭力学量做出完备、准确的描述,是一个不完备的理论。

后来果然发现,量子纠缠的具体速度确实不能用任何有限大小的数值来衡量,它完全属于可跨越任意空间距离的一种瞬时作用。这就是说,两个纠缠态的粒子,被分隔得再远,相互之间总存在着某种同步的信息沟通。

爱因斯坦在论文中并没有以自旋举例,而是采用了更复杂的动量、位置的表述形式。后来出现了更简明的例证,在对一个粒子自旋叠加态的测量中,得出结果为自旋向上,另外一个粒子的状态会瞬间塌缩为自旋向下的本征态。

对于量子纠缠之谜,物理学界现在还没有标准的解释,因为它涉及到波函数坍缩的具体细节,但量子纠缠已经属于现实世界一个毋庸置疑的普遍现象。

我们可以这样理解它,量子纠缠中两个分隔得很远的粒子组合在一起,就像是平面直角坐标系上的某个点,这个点的变动,将会在瞬间影响到它在两条坐标轴上的投影,那么反过来也可以认为,在点的斜向变动中,一个坐标轴上投影的变化,也会顺间影响另一个独立坐标投影发生变化。

或者理解为,在一个透明鱼缸中,从两个独立的方向去观察同一条鱼,看到的形态是不一样的,而处于纠缠态的两个粒子就像是从两个不同方向刻画出的同一个实在体,它们的变化是协调同步的,都在刻画着同一条“鱼”的运动。

广义相对论指出,现实世界能量传递的最快速度为光速,这就将牛顿在描述万有引力作用时提出的超距作用排除在现实世界之外了。但量子纠缠传递的是粒子量子态的坍缩信息,而并非实实在在的能量。因此,并不能认为量子纠缠是对光速作为速度上限的一种刺穿。

这就像在宇宙加速膨胀的过程中,距离足够遥远的两个星系,其相对位置增加的速度是完全可以超过光速的,但它们之间并没有任何能量的传递,两个星系仅仅是处于所在的空间位置上随着空间一起膨胀而相互远离罢了。

接下来回到主题, A、B两个粒子处于纠缠态,我们对任意粒子如A进行测量之前,两个粒子都处于叠加态中,因此A、B在处于叠加态时是没有任何必要进行信息沟通的,这时A、B 上的时间流逝快慢是一样的。但是当我们对A进行测量时,A、B间就会存在瞬时的信息传递,其后果就是在对A的测量过程中,A、B两个粒子的时间流逝快慢是一样的。

但是由于测量最终都会用到一个其它粒子去对A进行轰击,这就意味着测量粒子C与A之间的相互作用可以认为是0距离的,那么这个测量的过程就会是瞬时的。因此,单次测量导致的A、B间的信息纠缠并不会影响A、B在任意有限时间段内的相对时间流逝快慢发生变化。

接下来考虑到,所有的测量都必须以粒子的形式进行,而量子力学的基本假设表明,粒子与粒子之间是不可能具有连续性的,因此对A、B的测量不可能处于有限时间段内的一种持续、连续的状态。而每次测量总是瞬时的,这就自然而然地不会与引力场中不同位点上时间的相对性相矛盾。

尽管现代物理学中,广义相对论与量子力学并未能完善地融合在一起,但是我们通过一些“局部”综合性效应的分析,也会看到这两个基本理论在某方面的一些自洽性。