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相对论对话录13

已有 2110 次阅读 2015-7-18 06:01 |系统分类:科普集锦

1.你经常主张在广义相对论框架中延伸出新的量子力学原理,但是根据EPR论证得出的贝尔不等式,在实验验证中不是强有力地支持量子力学,而与爱因斯坦基于狭义相对论精神的定域实在论背道而驰吗?


答:关于量子力学解释,冯 诺依曼曾经证明量子力学的隐变量解释是不可能的,但后来人们发现他的论证预设了隐变量也满足希尔伯特空间的矢量线性叠加这个太强的数学要求。在1950年代,玻姆把量子力学处理为类似牛顿的质点力学形式,引入量子势代表质点按照测不准关系对经典轨迹的量子偏离。但是,量子势一方面不能作为势能进入量子力学中的拉格朗日作用量与哈密顿量,另一方面是对量子修正的“马后炮”描述,我们不能预知量子势来确定测不准关系范围内的精确轨迹,更重要的是量子势是超距作用,不符合相对论精神,至少很难用相对论理解。

  从EPR论证中得出的贝尔不等式,犯了类似诺依曼隐变量不存在证明的错误。EPR论证,若干量子纠缠实验中量子态所在的复数黎曼球空间是3维或7维的,而贝尔不等式要求量子信息投射到1维或2维空间中,正是这个几何拓扑错误导致贝尔不等式既不符合量子力学,也不符合爱因斯坦等人在EPR论证中给出的定域实在标准与理论完备标准。贝尔不等式给出的量子纠缠与超光速量子通信是基于错误几何拓扑造成的幻觉,实验验证不足以否定EPR论证。


2.能够从实验验证角度设想广义相对论对量子原理的修正吗?


答:我们知道,量子力学开始于原子特征光谱的研究。有一个磁量子数,是把原子放置在磁场中,引发光谱的Zeeman分裂效应引入的。我们已经通过实验证明原子光谱在引力场中会发生引力红移,这是对广义相对论的支持,没有改变量子规则。如果引力场能导致原子光谱出现类似Zeeman光谱分裂的效应,那么可能我们又要引入新量子数,从而修改量子规则。我认为,量子力学最基本的原理是玻尔-索末菲量子化条件,假如原子核的引力质量效应显著(比如用带电的中子星物质取代原子核),这个电子轨道角动量必须是普朗克常数整数倍的量子规则难道不需要修正吗?

   普朗克黑体辐射定律基于热平衡的稳定性与热力学第0定律,在广义相对论中,引力场的负热容可以导致热平衡态不稳定,而弯曲时空中一旦出现时间坐标与空间坐标不垂直的情形,那么同时性无法传递就转变为等温条件无法传递。一旦温度概念在时空大范围失效,我们把普朗克黑体辐射定律应用到广义相对论的大范围物质的热力学与量子效应就没有明确的物理意义。在广义相对论中,黑体辐射的普朗克定律如何修正,无论在理论上还是在实验中都有重要意义,霍金给出的黑洞辐射,是普朗克黑体辐射在广义相对论的特殊时空度规中有效的特例,没有普遍意义。


3.量子力学是违背弱等效原理的,也就是说,如果2个粒子初始位置与初始速度,加速度一样,按照量子力学,不能保证它们未来的运动轨迹一致。而按照广义相对论,这2个粒子的运动轨迹应该由于时空几何效应是一致的。因此,在量子力学有效的前提下,广义相对论要么是错误的,要么有巨大局限,在广义相对论框架中修改量子规则是不可行的。


答:我们所谓的1个粒子,其实是处在同一量子态的1组微观系综,它们因为全同而用同一个波函数描述,其中存在着不同位置与动量本征态的线性叠加。所谓初始位置与动量一样的2个粒子,即使波函数一样,它们在广义相对论的弯曲时空中仍然代表着某种初始条件的潜在差别,未来轨迹不一致是正常的。在广义相对论中,量子过程的弱等效原理失效,应该看做是广义相对论与量子力学都具有局限造成的。

  如果把粒子看做具有空间分布的量子曲率波包,那么在引力场中自由下落时,潮汐引力对量子波包造成的曲率形变也需要深入研究。同一个粒子的量子波包是不断形变的,在引力场中运动所受的潮汐引力也是不断变化的,量子过程违背弱等效原理可能也是假象,因为等效原理只能在空间点的微小邻域成立。如果我们坚持量子规则,那么宣布等效原理在数学上过度理想化也是有依据的。

  弱等效原理要求物体同时下落,强等效原理要求惯性力抵消局部引力场;甚强等效原理从广义相对论与质能关系得出,要求引力场能量也有引力质量效应,新等效原理要求转动角速度不同的物体同时落地,这导致广义相对论不同于包含与转动角动量有关的空间挠率的引力规范理论。

  甚强等效原理与新等效原理,都需要有非常精确严密的实验验证,目前尚未进行。

  如果我们把量子过程对弱等效原理的偏离理解为量子势造成的,那么我们对等效原理的推广可以基于以下需要实验验证的猜想:量子势是否有引力效应?对应的质量是否符合等效原理?



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