经过了很长时间,相对论依然是21世纪数学学建设的基石。
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但是,自从克劳塞尔在1978年和阿斯珀在1982年证明贝尔不方程不创立以来,相对论的基础——光速不变,或则说,光速是自然运动的极限这一“金科玉律”被证实。
非常是后来对多光子量子纠缠的实验研究证明,在量子世界中,互相作用可以赶超空间和光的速率,而且是非局域的。所以一些化学学家开玩笑说量子世界里有“小精灵的怪癖”,其实,这只是所有无助的化学学家调侃的一种形式。
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在量子世界中,相对论的基本假定是完全无效的,这早已成为21世纪数学学中最具挑战性的问题之一。
EPR关联之谜
量子理论完善后,以爱因斯坦为代表的古典数学学家的柏林学派与以博尔纳为代表的阿姆斯特丹学派在量子理论的哲学基础上展开了争辩。
在之前的索尔维大会上,爱因斯坦和波尔就量子理论的哲学基础进行了几次针锋相对的辩论。最后,当希特勒上台并残害犹太人,爱因斯坦被迫离开美国时,爱因斯坦和波尔之间的争辩结束了。
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爱因斯坦和他的两个年青的朋友,波多尔斯基和罗森,来到耶鲁学院移居国外。她们在20世纪30年代又对玻尔进行了一次功击,目标是“不确定原理”。挑战论文由三位作者名子的第一个中文字母简写为EPR。
这就是EPR悖论
想像一对粒子(如电子)处于所谓的单态,它们的载流子互相抵消,因而总载流子为零。假定粒子A和粒子B分离,检测粒子A沿一定方向的载流子,结果为“上”。因为粒子对的载流子为零,这意味着粒子B的载流子总是顺着相同的方向“向下”。
但是,按照波尔所代表的阿姆斯特丹学派的解释,粒子A的载流子在被检测之前没有确定的值。当检测粒子A的载流子时,不可防止地会对粒子B形成瞬时影响,使粒子B的载流子波函数坍缩到相反的状态,即“向下”状态。这些不寻常的作用机制须要超距离的互相作用,或超光速的传输。但从相对论的观点来看,这是不容许的。
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爱因斯坦和他的合作者确信,这些现象喻示着量子理论和相对论之间的冲突,量子理论是不完整的。这个重要的观点就是爱因斯坦学派的“可分离原理”,后来被称为“局部性原理”。当玻尔阅读爱因斯坦关于局部性原理的论文时,玻尔的反应十分平静。他依然持有阿姆斯特丹学派“主体和客体是不可分割的”的旧观点,坚持粒子行为的几率解释,觉得微观世界与宏观世界有着不同的“特殊规律”。EPR相关并不能解释量子理论的不完全性。
其实,波尔的回答过分惨白,未能解决EPR相关性困局的核心:一旦EPR相关性存在,精典量子理论与相对论将发生严重冲突。
在20世纪30年代之后的很长一段时间里,许多一流的化学学家企图验证EPR的相关性,但没有一个人成功。1960年,才气横溢的北爱尔兰化学学家贝尔(Bell)从法国粒子研究中心(CERN)休了一年的学术假,最终提出了一个大胆的不方程来测试EPR的相关疑团。
贝尔不方程的提出与验证
为了推论不方程,贝尔引用了前人的一些知名精典理论。据悉,他还假定爱因斯坦的局部性原理是正确的。假如未来的实验证明不方程是无效的,这么造成不方程的要么是量子理论的前提错误,要么是自然界的“非局部性”。
1978年,韩国加洲学院伯克利校区(of,)的克劳瑟()和1982年美国伦敦学院(Asper)的阿斯珀(Asper)发觉了贝尔不方程不创立的实验证据。实验证明,尽管局部性在表面上是合理的,但量子世界实际上是由一种看不见的、未知的原理支配的。它不须要中介体,通过超腔或瞬时效应联接。这无疑是对“运动不能超过光速”的相对论最严重的严打。
近些年来,化学学家将光子互相作用的数目从2个降低到8个,这也违背了贝尔不方程。同时,在20世纪90年代初,化学学家将这些现象命名为“量子纠缠”。
目前,化学学家正在将光子互相作用的数目扩充到16个光子系统。
量子纠缠对当代数学学的影响
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量子纠缠早已被发觉40年了。目前,化学学家正在将其扩充到多光子系统,企图通过量子纠缠实现远距离通讯,并开发量子计算机。
量子纠缠的非局部性对精典相对论有很大的影响。相对论的第一个经验假定,即光速不变原理,在量子纠缠的情况下失败了。在量子纠缠的世界里,粒子之间的互相作用可以赶超时间和空间的顿时物理量子纠缠,甚至不须要任何介质。但是,到目前为止,化学学家还不晓得为何量子系统和相对论西甲越时空的“瞬时作用”与相对论之间存在着显著的冲突,只能在黑暗中推断。
近些年来,一些学者提出了“相空间理论”来解释量子纠缠。但是,因为该理论依然是基于精典量子理论,并没有添加新的数学原理,这只是一种尝试,并没有得到数学学界的认可。
同样,有些人企图更改相对论使之与量子理论相容,但她们难以防止光速是恒定的这一基本假定。
可以说,在一个新的量子纠缠早已被发觉了40年的世界里,当代数学学家一直不知所措。承认量子纠缠的存在就等于承认量子世界中相对论的一个基本假定,光速恒定的原理是错误的,因而颠覆了相对论数学学的整个构架。但对于未来,新的数学建设,赶超相对论是必要的。
科学的进步总是在新的发觉的基础上提出新的理论来取代旧的理论。EPR相关之谜起源于20世纪30年代物理量子纠缠,并在80年代得到了实验验证,因而造成了量子纠缠的新现象。这个奇异的现象挑战了一个多世纪以来的相对论基本假定(光速是自然运动的极限),为相对论的终结打开了希望之门。
在21世纪,数学学家早已将量子纠缠粒子的数目扩充到多光子系统。随着实验的深入,相信我们面前将会有一个新的数学世界,骤然而至的化学新原理将会被发觉,这将会赶超早已走过一个世纪的相对论。