不只時間,距離的概念可能也不存在?世界上每個人的位置都是無法被確定的!

愛因斯坦的廣義相對論

愛因斯坦的廣義相對論將引力歸結為時空的彎曲,在無形之中打破瞭時空的絕對框架,這告訴我們絕對的地點和距離並不存在,所有物體的位置都與整個時空相聯系。

不只時間,距離的概念可能也不存在?世界上每個人的位置都是無法被確定的!
不只時間,距離的概念可能也不存在?世界上每個人的位置都是無法被確定的!

跨距離的相互作用

一提到“跨距離的相互作用”,我們首先想到的可能就是量子糾纏現象。但傢逐漸意識到,在時空與引力理論中也有類似的效應:愛因斯坦的廣義相對論將引力歸結為時空的彎曲,在無形之中打破瞭時空的絕對框架,這告訴我們絕對的地點和距離並不存在,所有物體的位置都與整個時空相聯系。

 

上世紀90年代初,我還是個研究生時,首次接觸到瞭被稱為“非定域性”(nonlocality)的量子現象。不過,我不是從量子老師那裡聽到這個概念的——他覺得這不值一提。有一次,我在附近的書店裡閑逛,順手拿起瞭一本《意識》(The Conscious Universe)。翻看瞭幾頁,一段令我震驚的話躍入眼簾,書中寫道:“沒有任何先前的發現能像非定域性那樣,給我們對日常現實的感知帶來如此大的挑戰。”從此,這一奇妙現象讓我沉迷其中,無法自拔。

 

在日常用語中,“locality”是個略顯矯飾的詞語,用來形容某個社區、城鎮或其他什麼地方。但是,來源於17世紀的“定域性”這個詞,本來的意思是同“位置”這一概念相關聯的。它表明所有的東西都有一個位置,你總能指著一個物體說“它在這兒”。如果你不能說出它在什麼地方,那個物體就肯定不存在。如果你的老師問你的作業在哪,而你回答哪兒都不在,你麻煩可就大瞭。

 

所謂的「定域性」

 

我們所感知到的世界具備“定域性”的所有特征。我們對於位置和地點,以及它們之間的相對關系有著很強烈的直觀感覺:在和親人分離時,我們會感到痛苦;想對什麼事產生影響而自己又離得太遠時,我們也會覺得無能為力。然而,目前物理學中的多個研究分支均顯示,在更深的層面裡,並不存在所謂的“位置”,也沒有所謂的“距離”。在中,兩個粒子的命運可以緊密相連,就像一對魔法硬幣一樣:把它們拋出去落在地上,每一枚都可以是正面朝上或反面朝上,但它們隻可能同時正面朝上或反面朝上。它們的行為協調一致,即便二者之間的空間中不存在任何力的相互作用。哪怕是遠遠地分隔在宇宙的兩邊的一對粒子,仍可能表現出一致性。這樣的粒子就違反瞭定域性——它們超越瞭空間。

 

顯而易見,設法達到瞭一種獨特的微妙平衡:在大多數情況下,它遵守定域性,而且必須遵守定域性,我們人類才得以存在;然而,在基本層面上,還是有一些線索顯示出非定域性。對於進行相關研究的人來說,非定域性是所有物理學難題的根源,包括量子粒子的奇異特性、黑洞的命運、宇宙的起源,以及自然的終極統一——當今物理學傢們所面對的這一系列謎題大都相互交叉著,而它們的交叉部分正是非定域性。

 

在20世紀的大部分時間裡,量子糾纏(即粒子奇異的同步性)是唯一被人們提到的非定域現象,愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”(spooky action at a distance)。不過,物理學傢們逐漸意識到,還有其他一些現象似乎也同樣詭異。

 

 

例如,愛因斯坦建立的廣義相對論(這是現代引力理論的基礎),原本是為瞭從物理學中消除非定域性。在牛頓的理論中,引力可以跨越空間,像具有某種魔法一樣在兩個物體之間起作用。而廣義相對論折斷瞭連在物體之間的“魔法棒”,表明導致物體相互吸引的原因是時空的彎曲,而不是什麼看不見的力。不過,無論愛因斯坦的本意如何,在物理學傢們應用前者理論的過程中,不同的一面被逐漸揭開:在引力的作用機制裡,其實處處體現著非定域現象。

 

 

“這裡”究竟指什麼

 

秋季裡的一天,我和美國加利福尼亞大學聖巴巴拉分校(UCSB)的物理學傢唐·馬羅爾夫(Don Marolf)坐在他們學校的學生活動中心裡,愜意地看著窗外的潟湖,一邊品嘗著沙拉,一邊談論著引力。但等一下——我怎麼能確定自己曾經在秋季的那一天坐在UCSB的學生活動中心裡呢?定域性原理表明,我曾經處於一個位置,學生活動中心也有一個位置,當這兩個位置重合時,就說明我在那兒。我手機上顯示的GPS坐標同活動中心的坐標一致,而且日期也同墻上的日歷吻合。但是,這些看似簡單明瞭的步驟卻經不住仔細推敲。“要想提出有關‘這裡’的問題,我們首先應該清楚所說的‘這裡’是什麼意思,而這可不是件容易的事。”馬羅爾夫說。

 

一個顯而易見的問題是,加利福尼亞州處於活躍的地質構造帶上,以北美大陸的其他部分及美國的經緯度網格為參照,聖巴巴拉分校所在的地殼板塊每年會向西北方向移動數英寸,所以,學生活動中心的位置不是固定的。如果幾年後我再回到相同的坐標位置,就會發現自己坐進瞭那片潟湖裡。地圖公司必須定期對構造帶地區重新測繪,來反映出這種移動。

 

或許你會提出,從空間本身的絕對意義上來看,學生活動中心仍然具有特定的位置。然而,時間和空間不比構造板塊更穩定,它們也會滑動、起伏、彎曲。當一個大質量物體發生變化時,會在時空連續體中產生振顫,進而重塑時空。即使構造板塊保持穩定,那間咖啡館的位置或許也會因為時空的變化而改變。根據愛因斯坦的廣義相對論,引力從一個地點傳遞到另一個地點就是通過這個過程,而非牛頓所認為的某種神秘超距作用。就像地質上的振顫一樣,引力“漣漪”也以一個特定的有限速度傳播——光速。

 

要想瞭解時空結構的改變,我們的思維必須克服抽象概念的障礙。時空不像地質地貌那樣直觀可見,我們沒法看到它,更別說辨別它的形狀瞭。不過,我們還是能捕捉到一些間接的證據碎片:就像在汽車擋風玻璃上滑過的雨滴的印跡可以顯示玻璃的曲率一樣,空間中自由運動而不被其他東西阻礙的物體也可以描繪空間的形狀。例如天文學傢常常觀測的來自遙遠恒星的光線,它們開始是平行的,在經過一團大質量物體(例如太陽)後,就變成相互交叉的瞭。教科書和研究文獻中通常將這種現象描述為太陽的引力造成“光線彎曲”,但這並不完全正確:光線其實直得不能再直瞭,太陽真正起到的作用是改變瞭幾何定則——即扭曲瞭空間——所以平行線才得以交叉。

 

時間和空間的變化不僅僅存在於遙遠的物理學的“奇異”領域裡,其實它支配瞭任何下落物體的運動。無論是棒球、酒杯,還是貴重的智能手機,隻要它們從你手中滑落,就會向地面加速下墜,而這正是源自的質量造成的時間彎曲(在這些例子中,空間的彎曲隻起到瞭次要作用)。之所以向“下”落,是由時間流逝更慢的方向決定的。位於海平面的時鐘要比在德納利峰(北美洲最高峰,位於美國阿拉斯加州)頂上的走得更慢,戴在你腳踝上的表要比戴在手腕上的慢些。雖然以人類的眼光來看這種偏差很微小,最多隻有萬億分之一,但足以解釋墜落物體的加速度。你看到一個蘋果從樹上落下時,其實觀察到的是它在“滑過”時間的彎曲輪廓。

 

 

相對論的啟示

 

雖然時空形狀的改變解釋並消除瞭牛頓理論中的“非定域性”,但是它又帶來瞭一個新變化,這來源於相對論的核心新觀念,即不存在超離於時空之外的位置,沒有任何外界的,或者說絕對的標準可以用來判定時空。這個看似不言自明的論斷卻有顯著的後果:它意味著時空不僅僅會彎曲,而且許多我們附加在其上的屬性也不復存在,包括定義位置的能力。

 

馬羅爾夫說,否認存在“上帝之眼”一般的觀察角度是非常微妙的事,而且,實話說,愛因斯坦自己在很長一段時間裡都沒能理解這點。之前關於空間的概念,包括牛頓時空觀,甚至愛因斯坦自己早期的觀念,都認為它具有固定的幾何結構,因而讓人能夠想象自己超然於空間之外,然後俯瞰觀察它。實際上,愛因斯坦一度主張必定存在一個絕對的參照點,否則空間的形狀就會變得模糊不清。

 

要想理解為什麼會出現這種模糊性,可以想象一下在日常生活中我們是如何感知地形的。我們可能會認為地形具有獨一無二的“真實”外形,就像谷歌地球上顯示的那樣,但實際上,外形是由觀察者處在那個地形中的感受決定的,而那種感受可以變化。考試遲到的學生,扭傷瞭腳踝而蹣跚前行的運動員,邊走邊和同事談得入神的教授,以及大聲讓前面行人讓路的騎車人,他們對校園的感知是非常不同的。一個人眼中的一步之遙,對另一個人來說或許就像看不到盡頭的跋涉。一旦失去瞭從高處俯瞰的能力,我們就無法再對某個東西在某個地方做出絕對的表述。

 

1915年,愛因斯坦頓悟到,這種模糊性並非瑕疵,而是自然本身的性質。他指出,無論怎樣,我們都無法觀測到某個地點具有絕對的位置。相反,我們是根據物體的相對排列來確定它們的位置的,並且關鍵在於,那些相對位置是客觀的,每一個走在校園裡的人都會承認那些地點的基本安排順序,比如UCSB的學生活動中心和潟湖挨在一起,而不是分別位於校園的一側。知道瞭這些相對關系後,即使地形經歷瞭變化、彎曲或流動,其中的居民也永遠感覺不到。對時空而言同樣如此:不同的觀察者可以賦予某一地點不同位置,但在各個地點的相互關系上的看法是一致的,事件的發生就由這些關系確定。“比方說,在第一個時空中,喬治和唐中午在一間特定的咖啡館見面,”馬羅爾夫對我解釋道,“在變化瞭的時空中,他們也做瞭這件事。隻不過第一種情況下這件事發生在B點,而變化瞭的第二種情況下,同樣的事情則發生在瞭A點。”

 

從而,這間咖啡館可以位於A點或B點,也可以是C、D、E點——有無窮多可能的位置。我們說這個東西位於某地點,實際上是在說它同其他地標相對關系的簡化表達。咖啡館沒有明確的坐標,必須由其中或周圍的東西來定位。為瞭確定它的位置,你需要在世界裡尋找一個地方,那裡的餐桌、座椅和沙拉吧是那樣安排的,那裡的陽臺可以俯視一個沐浴在南加州金色陽光下的潟湖。學生活動中心的位置不是它自己的屬性,而是它所在的整個系統的屬性。“從原則上講,問一個東西在哪裡,這個問題涉及到整個時空。”馬羅爾夫說。

 

定域測量的模糊性是非定域性的一種表現形式。首先,對於像能量這樣的物理量,就無法把它們限定在任何特定的位置上,原因很簡單——因為根本不存在什麼特定位置這一說。想確定一個位置,就好比想用海面上漂浮的一面旗子來標識邊界一樣不可靠。空間裡的點是不可區分,並且可以相互交換的,因為它們缺乏可以分辨的特征,所以無論這個世界由什麼構成,都必然不可能是基於這些點的。空間無法支持任何定域結構的存在。與引力相關的量必然是整體性的——即作為時空整體而言的屬性。

 

此外,空間所表現出的互相等價的多種不同形狀,是由引力場的不同結構描述的。在其中一個結構中的某一地點,引力場產生的力可能比在另一個結構中的更強,而這種差異則會在其他地方得到補償,從而保持物體之間相對排佈的不變性。引力場中的點必須彼此相互關聯,隻有這樣才能讓它們在來回變化的情況下仍然產生同樣的整體排佈。而這樣的關聯,勢必違反瞭認為空間中單個位置獨立存在的理論。馬羅爾夫這樣解釋道:“關於引力的任何理論都不是定域場論。即使是在經典理論裡,也有重要的約束方程。在時空中,‘這點’的場和‘那點’的場不是獨立的。”

 

在大多數情況下,我們可以忽略這種非定域性。你可以指定一些物體作為參照物,並用它們來確定坐標格點。你甚至可以把洛杉磯作為宇宙的中心(聖巴巴拉的居民可能會不太高興),並相對於它來確定其他所有的地點。在這個體系中,你可以輕松簡單地隻管做自己的事,而完全忽略空間無法標定位置這一基本屬性。“一旦如此,物理學似乎就是定域的瞭,”馬羅爾夫說,“引力作用完全是定域的,物體的運動也是連續的,在光速的限制之下。”但是,這樣的定域隻是“偽定域”,非定域性始終存在,它暗藏在表面現象之下,隻有在極端環境(例如黑洞)裡才會嶄露頭角。

 

簡而言之,與牛頓引力理論相比,愛因斯坦的理論以一種更微妙、更隱秘的方式體現出瞭非定域性特征。雖然牛頓理論中的引力可以跨越空間而起作用,但它至少還是在絕對空間這一框架內運作。而在愛因斯坦的描繪中,引力喪失瞭超距作用的魔力,它的影響像漣漪一樣以光速在宇宙中傳播。但是,它卻打破瞭絕對空間的框架,違背瞭愛因斯坦也曾持有的,定域性的最基本理念——所有物體都應該具有一個位置。我們曾將空間看作一個包含物質實體的固定容器,廣義相對論攪亂瞭這一直觀圖像,從而迫使我們去尋找關於位置的全新觀念。