光速、超光速、因果悖論：量子力學(xué)的根源，或許就是相對論！

從一開始，量子力學(xué)就一直以其難以理解的奇特之處讓人們驚嘆不已。為什么一個(gè)粒子似乎同時(shí)通過兩個(gè)狹縫？為什么我們只能談?wù)摳怕实难葑儯皇蔷唧w的預(yù)測呢？根據(jù)華沙大學(xué)和牛津大學(xué)的理論家的所說：量子世界最重要的特征可能來自狹義相對論，而到目前為止，狹義相對論似乎與量子力學(xué)關(guān)系不大。自從量子力學(xué)和相對論問世以來，物理學(xué)家們就因?yàn)檫@些概念的不相容，而不舍晝夜的思索。

科學(xué)家普遍認(rèn)為，量子力學(xué)的描述是更基本的，相對論必須與之相適應(yīng)。華沙大學(xué)(FUW)物理系A(chǔ)ndrzej Dragan博士和牛津大學(xué)(UO)ArturEkert教授現(xiàn)在提出了他們的推理《相對論的量子原理》，得出了不同的結(jié)論，其研究成果發(fā)表在《新物理學(xué)》期刊上，證明了量子力學(xué)的特性，決定了量子力學(xué)的獨(dú)特性和量子力學(xué)的非直觀差異，更重要的是，作為公理，可以在狹義相對論的框架內(nèi)加以解釋。

阿爾伯特·愛因斯坦把狹義相對論建立在兩個(gè)假設(shè)之上，第一個(gè)被稱為伽利略的相對論原理（這是哥白尼原理的特例），這說明物理在每個(gè)慣性系統(tǒng)中都是相同的（即靜止或穩(wěn)定直線運(yùn)動的慣性系統(tǒng))；第二個(gè)假設(shè)是根據(jù)著名的邁克爾遜-莫利實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出的，它要求每個(gè)參考系的光速都是恒定的。愛因斯坦認(rèn)為第二個(gè)假設(shè)至關(guān)重要，實(shí)際上，至關(guān)重要的是相對論原理。

狹義相對論的三個(gè)正確解

早在1910年，弗拉基米爾·伊格納托夫斯基就表明：只有基于這一原理，才有可能重建狹義相對論的所有相對論現(xiàn)象。1992年安德烈·西馬查教授也提出了一個(gè)極其簡單的推理，直接從相對論原理引出相對論。愛因斯坦認(rèn)為第二個(gè)假設(shè)至關(guān)重要，實(shí)際上，關(guān)鍵是相對論原理。早在1910年，弗拉基米爾·伊格納托夫斯基就表明：只有基于這個(gè)原理，才有可能重建狹義相對論的所有相對論現(xiàn)象。

狹義相對論是一個(gè)連貫的結(jié)構(gòu)，它允許三種數(shù)學(xué)上正確的解：以亞光速運(yùn)動的粒子世界，以光速運(yùn)動的粒子世界，以及以超光速運(yùn)動的粒子世界，然而，這第三個(gè)正解一直被認(rèn)為與現(xiàn)實(shí)無關(guān)而被拒絕。新研究提出了一個(gè)問題：如果暫時(shí)不涉及解決方案的物理或非物理性質(zhì)，認(rèn)真對待的不是狹義相對論的一部分，而是它的全部，以及超光速系統(tǒng)，會發(fā)生什么？而且預(yù)計(jì)會出現(xiàn)因果悖論。

同時(shí)，我們看到的，正是構(gòu)成量子力學(xué)最深核心的那些效應(yīng)。最初，兩位理論家都考慮了一種簡化的情況：具有所有三正解的時(shí)空，但只包含一個(gè)空間維度和一個(gè)時(shí)間維度(1+1)。一種溶液體系中的靜止粒子，似乎在另一種溶液體系中以超光速運(yùn)動，這意味著超光速本身是相對的。在以這種方式構(gòu)建的時(shí)空連續(xù)體中，非確定性事件自然發(fā)生。如果在A點(diǎn)的一個(gè)系統(tǒng)中有超光速粒子產(chǎn)生，甚至是完全可預(yù)測的。

向B點(diǎn)發(fā)射，那里根本沒有關(guān)于發(fā)射原因的信息，那么從第二個(gè)系統(tǒng)中觀察者的觀點(diǎn)來看，事件從B點(diǎn)運(yùn)行到A點(diǎn)，所以它們從一個(gè)完全不可預(yù)測的事件開始。事實(shí)證明，類似效應(yīng)也出現(xiàn)在亞光速粒子發(fā)射的情況下。兩位理論家還表明：在考慮了超光速解之后，粒子在多個(gè)軌跡上的運(yùn)動同時(shí)出現(xiàn)是自然的，描述事件的過程需要引入表明存在狀態(tài)疊加的組合概率幅度之和，到目前為止，這一現(xiàn)象只與量子力學(xué)有關(guān)。

在三個(gè)空間維度和一個(gè)時(shí)間維度(3+1)的時(shí)空的情況下，也就是對應(yīng)于我們的物理現(xiàn)實(shí)，情況就更復(fù)雜了。最初形式的相對論原理沒有保留，即亞光速系統(tǒng)和超光速系統(tǒng)是可以區(qū)分的。然而，研究人員注意到，當(dāng)相對論原理被修改為這樣的形式：以局部和確定性的方式，描述事件的能力不應(yīng)該取決于慣性參考系的選擇”時(shí)：它將解決方案限制在那些從(1+1)時(shí)空中考慮的所有結(jié)論仍然有效。

相對論與量子力學(xué)

而且研究還注意到了對單個(gè)維度的作用進(jìn)行有趣解釋的可能性。在觀察者看來超光速的系統(tǒng)中，一些時(shí)空維度似乎改變了它們的物理角色。只有一個(gè)維度的超光速光具有空間特征——粒子沿著這個(gè)維度移動，其他三個(gè)維度似乎是時(shí)間維度。空間維度的一個(gè)特征是，粒子可以在任何方向上運(yùn)動或保持靜止，而在時(shí)間維度上，它總是在一個(gè)方向上傳播演變（老化）。

因此，超光速系統(tǒng)的三個(gè)時(shí)間維度和一個(gè)空間維度(1+3)將意味著粒子不可避免地同時(shí)老化三倍。在超光速系統(tǒng)(1+3)中，從亞光速系統(tǒng)(3+1)觀察到的粒子老化過程看起來就像球面波一樣運(yùn)動，導(dǎo)致著名的惠更斯原理（波面上的每個(gè)點(diǎn)都可以看作是新球面波源）和波粒二象性。考慮與一個(gè)看似超光速系統(tǒng)有關(guān)的解決方案時(shí)，出現(xiàn)的所有奇怪之處，其實(shí)并不比人們普遍接受并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的量子理論更奇怪。

相反，考慮到一個(gè)超光速系統(tǒng)，我們可以至少在理論上：從狹義相對論中推導(dǎo)出量子力學(xué)的一些假設(shè)，而這些假設(shè)通常被認(rèn)為不是由其他更根本的原因造成。近一百年來，量子力學(xué)一直在等待更深層次的理論來解釋其神秘現(xiàn)象的本質(zhì)。如果華沙大學(xué)和牛津大學(xué)物理學(xué)家提出的推理經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)，歷史將殘酷地嘲弄所有的物理學(xué)家。幾十年來一直在尋求解釋量子力學(xué)獨(dú)特性的“未知”理論，將是從量子理論第一部作品中就已經(jīng)知道的東西。

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博科園｜研究/來自：華沙大學(xué)/牛津大學(xué)

參考期刊《新物理學(xué)》

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