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定域性、非定域性和幽灵般的超距作用

2020年7月18日  来源:世界观:现代人必须要懂的科学哲学和科学史 作者:(美)理查德·德威特 提供人:heidong86......

|定域性、非定域性和幽灵般的超距作用|

回忆一下,本章的两个主要目标是①对新近的实验进行解释,通常都认为这些实验具有大量哲学影响;②对这些影响进行分析,特别是分析“这些实验表明任何关于现实的‘定域’观点肯定都不对”的说法。到这里,我们已经实现了目标①,并已做好准备开始实现目标②。让我们从前面出现过的定域性假设的一个粗略表述开始。

定域性假设(粗略版本):发生在一个地点的事件不能对发生在另一地点的事件产生影响,除非两个地点之间存在某种联系或通信。

正如前面提到过的,对“某种联系或通信”和“影响”的概念,可以有很多种理解。我们的第一个任务就是让这些命题更加精准。

有很充分的理由认为光速可以算是宇宙速度的极限。因此,我们可以利用这一点来限制两个事件之间产生联系的可能性,也就是,只有在两个事件发生的时间间隔至少能够让光从一个事件运动到另一个事件时,两个事件之间才能产生联系。举个例子,我用办公室的电话往我家打,几秒钟之后,我家里的电话开始响铃,这两个事件之间可能存在联系。这两个事件发生的时间间隔大于光从我的办公室运动到我家的时间。因此,这两个事件之间有可能存在相互联系。当然,这两个事件事实上确实是相关联的,而且这种关联很容易理解。

相比之下,光从太阳运动到地球需要大约8分钟。所以,如果要考虑太阳上发生的一个事件(比如太阳耀斑)与地球上发生的一个事件(比如电台通信干扰)之间的联系,那么只有当两者发生的时间相差8分钟以上时,它们之间才有可能存在联系。

利用这个概念,我们就可以限制“某种联系或通信”的概念了。接下来,除非我特别说明,我们都会认为“联系”的意思是联系的可能性,也就是当且仅当两个事件发生的时间间隔等于或大于光从其中一个事件发生地运动到另一个事件发生地的时间时,两个事件之间才会存在相互联系的可能性。如果两个事件间不存在这种相互联系的可能性,那么我们就会说第二个事件是“超距”发生,或者换个等价的说法,第二个事件发生在“超距处”。

这就引出了定域性假设的一个更精练的表述。对光速的强调来源于爱因斯坦相对论,而这一类影响似乎是让爱因斯坦最为担心的一类影响(爱因斯坦曾经将这种影响称为“幽灵般的超距作用”)。因此,让我们把这个表述称为爱因斯坦定域性。

爱因斯坦定域性:发生在一个地点的事件无法影响发生在超距处的另一个事件。

在阿斯派克特实验中,所研究的事件确实发生在“超距处”,也就是,两个事件之间不可能有联系(重申一下,除非这个联系的运动速度比光速还快)。阿斯派克特是如何实现这一点的,其细节是整个实验设置中最具技术挑战性的部分,而且,基本上阿斯派克特实现这一点的方法,相当于是在光子到达探测器之前,快速随机地(或者至少准随机地)改变探测器位置。简言之,阿斯派克特成功地对实验进行了设置,使探测器的位置可以快速发生变化,从而使任何信号都没有时间从一个探测器传递到另一个探测器(同样地,除非这个信号的运动速度大于光速)。

在这些实验中,发生在一个探测器处的事件对发生在另一个探测器处的事件产生了某种影响。也就是说,发生在一个探测器处的事件(改变旋钮位置)似乎会影响发生在远处探测器那里的事件(也就是探测器探测到的光子是上极化还是下极化)。因此,贝尔/阿斯派克特实验表明,爱因斯坦定域性是错误的。简言之,似乎发生在一个地点的事件可以影响发生在超距处的其他事件。

我们在前面提到过,定域性假设和爱因斯坦定域性都提到了“影响”的概念,但这并不是一个完全清晰的概念。作为这一节的最后(也是很重要的)一个话题,值得我们讨论的是,关于阿斯派克特实验所指出的“影响”,能得出什么结论,又有哪些结论是得不到的。

“影响”这个词通常的意思是因果影响,也就是一个事件造成了另一个事件的意思。让我们花点时间来从因果影响的角度解释一下爱因斯坦定域性。让我们将其称为因果定域性。

因果定域性:发生在一个地点的事件不能对发生在超距处的另一个事件产生因果影响。

贝尔/阿斯派克特实验是否表明因果定域性是错误的?这是一个难以回答的问题,有些人认为正确的答案是“是的”,而另一些人则认为是相反的。主要难点在于因果关系的概念本身。通常,当我们谈到因果时,脑中会出现这样的例子,朝错误的方向飞出的棒球击碎了玻璃,碎玻璃扎破了汽车轮胎;手指敲击键盘造成按键下降,从而使电信号从键盘传递到电脑等。

这些因果影响通过现在的物理学已经得到了相当好的理解。如果我们把对“因果影响”概念的使用,限制在用现有物理学已经可以充分理解的因果联系上,那么在谈到阿斯派克特实验中发现的那一类影响时,我们就不会毫不犹豫地把它们当作因果影响了。同样地,这只是因为我们对贝尔/阿斯派克特实验中所发现的影响的性质知之甚少,实际上是完全一无所知,因此这样的影响就不能与那些用现有物理学就已经可以充分理解的影响归为一类。简言之,如果我们从这个角度来理解“因果影响”的概念,那么贝尔/阿斯派克特实验结果就没有表明因果定域性是不正确的。

另一方面,如果我们从更广义的角度来理解“因果影响”概念,那么就完全可以说,贝尔/阿斯派克特实验确实表明因果定域性是错误的。举个例子,假设我们认为“因果影响”(粗略地说)可以适用于彼此之间有很强相关性的事件,而且这个强相关性不能用任何常见原因来解释。(我说的“常见原因”是指两个事件之间之所以存在相互关联,并不是因为其中一个事件是另一个事件发生的原因,而是因为这两个事件都是由另一个或几个普遍原因造成的。举个例子,我在室外放了一个温度表,其读数低于32华氏度[1],而旁边池塘里的水已经开始结冰,这两个事件是紧密关联的。但是这两个事件紧密关联并不是因为其中一个事件是另一个事件发生的原因;实际上,它们都是由一个独立的常见原因造成的,也就是天气已经变得足够冷。)完全有理由说贝尔/阿斯派克特实验结果满足了这个前提,也就是说,一个探测器的设置与另一个探测器的读数之间当然存在很强的相关性,而且完全有道理说这个强相关性不是由任何常见原因造成的。简言之,如果我们从这个角度来解释“因果影响”,那么完全可以说,贝尔/阿斯派克特实验结果确实表明因果定域性是错误的。

我们对此应持怎样的态度,特别是应如何对待“贝尔/阿斯派克特实验结果是否表明因果定域性不正确”的问题?首先,值得指出的是,这个问题没有明确的答案。回答“是”或“否”都是合理的,只是要在回答的时候明确“因果影响”概念是从哪个角度来理解的。正如我们在前面看到的,这在很大程度上取决于“如何解释因果关系”这个复杂的命题。请注意,因果定域性的问题表明了围绕贝尔/阿斯派克特实验结果的命题可以变得多复杂,以及看起来简单的命题可以怎样迅速地变得复杂。

在结束之前,另一个理解“影响”概念的常见角度也值得我们思考。我脑中出现的影响是我们可以用来传递信息的那种影响。比如,打电话、向窗外大喊、用摩斯密码发布信号等,都属于这一类的影响。这带来了我们可以称为信息定域性的概念。

信息定域性:发生在一个地点的事件,不能用来向一个在远处的地点传递信息。

贝尔/阿斯派克特实验结果是否表明信息定域性是不正确的?换句话说,我们能否利用两个发生在远距离地点的事件之间的影响来传递信息?举个例子,我们能不能在地球上设置一个探测器,在火星上设置另一个探测器,然后利用贝尔/阿斯派克特情境来在两个探测器所处位置之间即时传递信息?

请注意,根据贝尔/阿斯派克特实验设置,两个探测器完全不需要彼此相当接近。因此,原则上说,我们可以把一个探测器设置在地球上,另一个设置在火星上(或者理论上说,也可以设置在上千光年之外的某个星系里),然后我们还将得到同样的结果。也就是说,发生在一个探测器处的事件显然会即时地影响到发生在超距处的另一个探测器处的事件。那么,这很可能会让我们忍不住认为可以利用这个影响来向超距地点即时传递信息,从而违反了信息定域性。

然而,似乎没有办法利用贝尔/阿斯派克特实验设置在两个地点之间传递任何信息。说到底,原因是D和U的续列是随机的。要理解这一点,一个更具体的例子将会很有帮助。

假设你在探测器A处,可能是在美国俄克拉何马州图尔萨市,而我在探测器B处,可能是在200万光年外的仙女座星系里。假设我把探测器上的旋钮设在R位置。看看前面的情境3和情境4,我们知道如果你把探测器的旋钮设置在M位置,那么我的探测器所探测的结果与你的探测器所探测的结果相比,出现差异的概率只有25%。但是如果你把探测器旋钮设置在L位置,我的探测器读数与你不同的概率马上跃升到75%。简言之,你只需要把探测器旋钮在M和L位置之间转换,就可以显著影响我们的探测器读数一致的概率。由于你可以对我这边探测器的结果产生如此重大的影响,似乎你应该可以利用这个影响来向我即时传递信息,从而表明信息定域性是错误的。

然而,你不可能利用这个影响来向我传递信息。问题是这样的:要给我传递信息,你需要能对我这边的读数是D还是U产生影响。就算你只能影响我收到D或U的概率,这也已足够向我传递信息了。因此,毫无疑问:如果你可以操控你的探测器旋钮,使其对我的读数是D还是U产生影响,那么你就可以向我传递信息了。

问题是,你没有这种影响。你所能影响的只有我的探测器读数与你的探测器读数一致的可能性。因此,尽管你可以对我们的探测器是否得到相同读数产生影响,但这并没有使你能够传递信息。要传递信息,你需要能够对我的探测器读数是D还是U产生影响,但实际上你只能影响我们的探测器读数是否一致的可能性。

总的来说,似乎没有办法利用EPR/贝尔/阿斯派克特实验设置的影响来向一个超距地点传递信息。因此,与其乍看起来相反,贝尔/阿斯派克特实验并没能让我们有理由认为信息定域性是不正确的。

|结语|

总结一下,贝尔/阿斯派克特实验明确证明了,爱因斯坦定域性是错误的。也就是说,这些实验表明,发生在两个超距地点处的事件之间可以存在某种影响(或者联系、关联以及任何你喜欢的名词,其实没有哪个词是完全正确的)。正如我们看到的,对于“贝尔/阿斯派克特实验是否表明了发生在超距地点处的事件之间存在某种因果影响”的问题,并不存在明确答案,而是主要取决于如何理解因果联系的概念。就像我们刚刚看到的,贝尔/阿斯派克特实验结果尽管涉及某种影响,但是似乎并没有给我们任何理由来认为可以利用这个影响在超距地点之间传递信息。

那么,这使我们面前出现了另一个问题,也就是“这种影响是什么样的影响”。对于这个问题,最终我们可以给出的精确答案是:连最模糊的答案都没有。

[1] 华氏温标规定在一个标准大气压下,纯水的冰点为32度,故32华氏度即0摄氏度。

量子理论 / 贝尔定理 / 阿斯派克特实验

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