超距作用 - Wikiwand
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超距作用

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物理学里,超距作用(英语:action at a distance)指的是分别处于空间两个不毗连区域的两个物体彼此之间的非局域相互作用。

在早期的引力理论电磁理论里,超距作用这术语最常用于描述物体因遥远物体影响而产生的现象。更一般地,早期原子论机械论(mechanistic theory)试图将所有物理相互作用都约化为碰撞,其中一些不成功案例只能被归咎为超距作用。对于这难以理解的现象所作的探索与分析,导致物理学显著的发展,从的概念,到量子纠缠的描述与标准模型媒介粒子的点子。[1]

牛顿力学

遵守万有引力定律,两个物体相互施加引力于对方。
遵守万有引力定律,两个物体相互施加引力于对方。

假设粒子1和粒子2处于空间的某两不同位置,则根据万有引力定律,两粒子相互直接施加于对方的引力,其大小 必定与距离 的平方成反比:

其中,万有引力常数 分别是粒子1和粒子2的质量

从这方程,可以推论万有引力是一种超距作用,牛顿万有引力定律只提到两粒子相互直接作用于对方的引力,并没有解释引力传递过程,而且这定律与时间无关,意味着瞬时直接地超距作用。

艾萨克·牛顿的引力理论不能给出任何引力相互作用的媒介。它假设引力具有瞬时性质,不管距离有多远。从牛顿力学的观点,超距作用可以视为一种现象,在这现象里,一个系统的内秉性质会影响遥远系统内秉性质,不论任何其它系统有否影响遥远系统,并且,没有任何过程毗连地传递这影响于空间和时间。[2]

牛顿试图寻找引力的成因,但并未获得成功。在一封写给剑桥大学三一学院院长理查·本特利(Richard Bentley)的信里,牛顿表示,[2]

实在难以想像没有生命的物质能够作用与影响其它物质,完全不需要非物质传递机制,也不倚靠彼此接触……对于物质而言,引力应该是那么内在的、固有的、本质的,能够使得一个物体能够作用于以真空相隔有限距离的另一个物体,而不需要通过任何非物质的媒介来传递作用力,这对我来说这是一个超大荒谬,我相信不会有任何在哲学方面具有充分思考能力的人士会坠入其中。引力必定是由按照某种定律作用的代理所造成的。至于这代理到底是物质的还是非物质的,在这里我留给我的读者来思考。 — 牛顿

电磁学

透过铁粉显示出的磁力线。将条状磁铁放在白纸下面,铺洒一堆铁粉在白纸上面,这些铁粉会依著磁力线的方向排列,形成一条条的曲线,在曲线的每一点显示出磁力线的方向。
透过铁粉显示出的磁力线。将条状磁铁放在白纸下面,铺洒一堆铁粉在白纸上面,这些铁粉会依著磁力线的方向排列,形成一条条的曲线,在曲线的每一点显示出磁力线的方向。

假设将一堆铁粉铺洒在一块磁铁的四周,这些铁粉会依著磁场的方向排列,形成一条条的曲线,在曲线的每一点表现出磁场的存在和磁力线的方向。这明确地显示出磁力线是一种真实现像。假若铁粉感受到的是直接由磁铁施加的作用力,则这是一种超距作用。

麦可·法拉第首先提出的概念,他主张,形成场的磁力线是空间的一种状况,而这空间可以是虚无一物的空间。磁力线能够移动、收缩与膨胀,粒子是磁力线的初始点与终结点。倚赖满布于空间的磁力线,相互作用从一个物体经过一段时间传递到另一个物体;这不是一种瞬时现象,不会出现超距作用。这种将场视为空间的物理性质的论述,现已被学术界广泛接受为标准论述。[3][4]:301[5]:2

詹姆斯·麦克斯韦认为,虽然超距作用能够满意地计算出很多电磁现象,但是,超距作用不能解释整个图案。他主张在空间里弥漫着一种称为以太的物质,能够遵守经典力学的牛顿定律,磁力线是以太的一种状况,这样,相互作用能从一个区域传递到毗连的另一个区域,从一个物体经过一段时间传递到另一个物体。早在铺洒铁粉之前,磁铁就已经在四周传播出磁场;不论铺洒铁粉了没有,磁场都存在;磁铁并不是直接施加作用力于铁粉,而是经过磁场施加作用力于铁粉;也就是说,铁粉感受到的是磁场的作用力。

电磁学里,为了要说明超距作用,导致发展出场论,场能够媒介电流电荷之间隔着自由空间彼此施加于对方的相互作用。根据场论电荷在四周生成电场,其它电荷会感受到电场的作用力,这就是两个带电粒子彼此之间库仑相互作用的机制。麦克斯韦方程组用电磁场来计算所有电磁相互作用。在麦克斯韦理论里,场的概念被提升至基础角色,场具有自己的实体,在空间拥有动量与能量,超距作用只是电荷与电磁场彼此之间局域相互作用所产生的表观效应。

爱因斯坦相对论

根据狭义相对论,光锥内部的每一点都可以通过小于光速的速度与当前事件建立因果联系。
根据狭义相对论,光锥内部的每一点都可以通过小于光速的速度与当前事件建立因果联系

根据阿尔伯特·爱因斯坦狭义相对论,瞬时超距作用违反了信息传递速度的上限。假设两个物体彼此相互作用,其中一个物体突然改变位置,另外一个物体会瞬时感受到影响,即信息传递速度比光速(光波传播于真空的速度)还快,则此现象属于“超距作用”。

相对论性引力理论必须满足一个条件──信息传递速度必须低于光速。从先前高度成功的经典电磁学案例来看,相对论性引力理论可能需要使用场的概念或著其它类似概念。

爱因斯坦的广义相对论已经对这问题给出解答,引力相互作用是倚靠时空几何弯曲的机制来传递。物质促成了时空几何弯曲,并且这效应如同电磁场一样,是以光速传递。由于物质的存在,时空变为具有非欧几何性质。在牛顿力学里,空间作用于物体,但物体没有作用于空间。在爱因斯坦相对论里,物质作用于时空几何,使时空几何产生形变,而时空几何也作用于物质,造成引力现象。

量子力学

玻姆版本的EPR思想实验。
玻姆版本的EPR思想实验。

20世纪,量子力学对于物理程序是否应该遵守局域论(排除超距作用)这问题给出了崭新的挑战。1935年,爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基纳森·罗森共同提出了爱因斯坦-波多尔斯基-罗森思想实验,后来知名为EPR佯谬,可以凸显出局域实在论与量子力学完备性之间的矛盾。大致而言,假设两个粒子相互作用后向相反方向移离,过了一段时间,虽然两个粒子相隔极远,彼此之间不存在任何经典相互作用,但是,若分别测量它们的性质所获得的结果,则可发觉它们的性质非常怪异地相互关联,意味着这其中可能存在某种超距作用。实际而言,量子力学的哥本哈根诠释表明,这是因为波函数坍缩机制,一种违反狭义相对论的超距作用。[6]

1953年,英国物理学家大卫·玻姆同样认为哥本哈根诠释对物理实在的解释是不完备的,需要附加的参量来描述,他从而提出隐变量理论(hidden variable theory)。1965年,北爱尔兰物理学家约翰·贝尔在提出贝尔不等式,为隐变量理论提供了实验验证方法。[7]从二十世纪七十年代至今,对贝尔不等式的验证给出的大多数结果是否定的,这意味着隐变量理论不成立。这结果是否可以诠释为支持非局域论(超距作用)的证据,必须依物理学者对于量子力学的诠释而定。[2][8]

参阅

参考文献

  1. ^ Hesse, Mary B. Action at a Distance in Classical Physics. December 1955 [2012-11-04]. (原始内容存档于2015-12-09). 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Berkovitz, Joseph. Action at a Distance in Quantum Mechanics. Edward N. Zalta (编). The Stanford Encyclopedia of Philosophy Winter 2008. 2008 [2013-05-13]. (原始内容存档于2013-06-19). 
  3. ^ Hobson, Art. There are no particles, there are only fields. American Journal of Physics. 2013, 81 (211) [2014-09-23]. doi:10.1119/1.4789885. (原始内容存档于2015-02-10). 
  4. ^ John L. Heilbron. The Oxford Companion to the History of Modern Science. Oxford University Press. 14 February 2003. ISBN 978-0-19-974376-6. 
  5. ^ Joseph John Thomson. Notes on Recent Researches in Electricity and Magnetism: Intended as a Sequel to Professor Clerk-Maxwell's 'Treatise on Electricity and Magnetism'.. Dawsons. 1893. 
  6. ^ Einstein, A.; Podolsky, B.; Rosen, N. Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?. Physical Review. 1935, 47 (10): 777–780. Bibcode:1935PhRv...47..777E. doi:10.1103/PhysRev.47.777. 
  7. ^ Bell, J.S. (1966). On the problem of hidden variables in quantum mechanics. Reviews of Modern Physics. 38(3). 447-452.
  8. ^ Rubin. Locality in the Everett Interpretation of Heisenberg-Picture Quantum Mechanics. Found. Phys. Lett. 2001, 14 (4): 301–322. arXiv:quant-ph/0103079. doi:10.1023/A:1012357515678. 
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