圖片來(lái)源：德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校
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(xiàn)象。但物理學(xué)家逐漸意識(shí)到，在時(shí)空與引力理論中也有類似的效應(yīng)：愛因斯坦的廣義相對(duì)論將引力歸結(jié)為時(shí)空的彎曲，在無(wú)形之中打破了時(shí)空的絕對(duì)框架，這告訴我們絕對(duì)的地點(diǎn)和距離并不存在，所有物體的位置都與整個(gè)時(shí)空相聯(lián)系。
上世紀(jì)90年代初，我還是個(gè)研究生時(shí)，首次接觸到了被稱為“非定域性”（nonlocality）的量子現(xiàn)象。不過(guò)，我不是從量子力學(xué)老師那里聽到這個(gè)概念的——他覺(jué)得這不值一提。有一次，我在附近的書店里閑逛，順手拿起了一本《意識(shí)宇宙》（The Conscious Universe）。翻看了幾頁(yè)，一段令我震驚的話躍入眼簾，書中寫道：“沒(méi)有任何先前的發(fā)現(xiàn)能像非定域性那樣，給我們對(duì)日?，F(xiàn)實(shí)的感知帶來(lái)如此大的挑戰(zhàn)?！睆拇?，這一奇妙現(xiàn)象讓我沉迷其中，無(wú)法自拔。
在日常用語(yǔ)中，“l(fā)ocality”是個(gè)略顯矯飾的詞語(yǔ)，用來(lái)形容某個(gè)社區(qū)、城鎮(zhèn)或其他什么地方。但是，來(lái)源于17世紀(jì)的“定域性”這個(gè)詞，本來(lái)的意思是同“位置”這一概念相關(guān)聯(lián)的。它表明所有的東西都有一個(gè)位置，你總能指著一個(gè)物體說(shuō)“它在這兒”。如果你不能說(shuō)出它在什么地方，那個(gè)物體就肯定不存在。如果你的老師問(wèn)你的作業(yè)在哪，而你回答哪兒都不在，你麻煩可就大了。
我們所感知到的世界具備“定域性”的所有特征。我們對(duì)于位置和地點(diǎn)，以及它們之間的相對(duì)關(guān)系有著很強(qiáng)烈的直觀感覺(jué)：在和親人分離時(shí)，我們會(huì)感到痛苦；想對(duì)什么事產(chǎn)生影響而自己又離得太遠(yuǎn)時(shí)，我們也會(huì)覺(jué)得無(wú)能為力。然而，目前物理學(xué)中的多個(gè)研究分支均顯示，在更深的層面里，并不存在所謂的“位置”，也沒(méi)有所謂的“距離”。在物理實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)粒子的命運(yùn)可以緊密相連，就像一對(duì)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，但它們只可能同時(shí)正面朝上或反面朝上。它們的行為協(xié)調(diào)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(yuǎn)遠(yuǎn)地分隔在宇宙的兩邊的一對(duì)粒子，仍可能表現(xiàn)出一致性。這樣的粒子就違反了定域性——它們超越了空間。
顯而易見，自然設(shè)法達(dá)到了一種獨(dú)特的微妙平衡：在大多數(shù)情況下，它遵守定域性，而且必須遵守定域性，我們?nèi)祟惒诺靡源嬖冢蝗欢?，在基本層面上，還是有一些線索顯示出非定域性。對(duì)于進(jìn)行相關(guān)研究的人來(lái)說(shuō)，非定域性是所有物理學(xué)難題的根源，包括量子粒子的奇異特性、黑洞的命運(yùn)、宇宙的起源，以及自然的終極統(tǒng)一——當(dāng)今物理學(xué)家們所面對(duì)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(jì)的大部分時(shí)間里，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(xiàn)象，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”（spooky action at a distance）。不過(guò)，物理學(xué)家們逐漸意識(shí)到，還有其他一些現(xiàn)象似乎也同樣詭異。
例如，愛因斯坦建立的廣義相對(duì)論（這是現(xiàn)代引力理論的基礎(chǔ)），原本是為了從物理學(xué)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(gè)物體之間起作用。而廣義相對(duì)論折斷了連在物體之間的“魔法棒”，表明導(dǎo)致物體相互吸引的原因是時(shí)空的彎曲，而不是什么看不見的力。不過(guò)，無(wú)論愛因斯坦的本意如何，在物理學(xué)家們應(yīng)用前者理論的過(guò)程中，不同的一面被逐漸揭開：在引力的作用機(jī)制里，其實(shí)處處體現(xiàn)著非定域現(xiàn)象。
“這里”究竟指什么
秋季里的一天，我和美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校（UCSB）的物理學(xué)家唐·馬羅爾夫（Don Marolf）坐在他們學(xué)校的學(xué)生活動(dòng)中心里，愜意地看著窗外的潟湖，一邊品嘗著沙拉，一邊談?wù)撝?。但等一下——我怎么能確定自己曾經(jīng)在秋季的那一天坐在UCSB的學(xué)生活動(dòng)中心里呢？定域性原理表明，我曾經(jīng)處于一個(gè)位置，學(xué)生活動(dòng)中心也有一個(gè)位置，當(dāng)這兩個(gè)位置重合時(shí)，就說(shuō)明我在那兒。我手機(jī)上顯示的GPS坐標(biāo)同活動(dòng)中心的坐標(biāo)一致，而且日期也同墻上的日歷吻合。但是，這些看似簡(jiǎn)單明了的步驟卻經(jīng)不住仔細(xì)推敲?！耙胩岢鲇嘘P(guān)‘這里’的問(wèn)題，我們首先應(yīng)該清楚所說(shuō)的‘這里’是什么意思，而這可不是件容易的事。”馬羅爾夫說(shuō)。
一個(gè)顯而易見的問(wèn)題是，加利福尼亞州處于活躍的地質(zhì)構(gòu)造帶上，以北美大陸的其他部分及美國(guó)的經(jīng)緯度網(wǎng)格為參照，圣巴巴拉分校所在的地殼板塊每年會(huì)向西北方向移動(dòng)數(shù)英寸，所以，學(xué)生活動(dòng)中心的位置不是固定的。如果幾年后我再回到相同的坐標(biāo)位置，就會(huì)發(fā)現(xiàn)自己坐進(jìn)了那片潟湖里。地圖公司必須定期對(duì)構(gòu)造帶地區(qū)重新測(cè)繪，來(lái)反映出這種移動(dòng)。
或許你會(huì)提出，從空間本身的絕對(duì)意義上來(lái)看，學(xué)生活動(dòng)中心仍然具有特定的位置。然而，時(shí)間和空間不比構(gòu)造板塊更穩(wěn)定，它們也會(huì)滑動(dòng)、起伏、彎曲。當(dāng)一個(gè)大質(zhì)量物體發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在時(shí)空連續(xù)體中產(chǎn)生振顫，進(jìn)而重塑時(shí)空。即使構(gòu)造板塊保持穩(wěn)定，那間咖啡館的位置或許也會(huì)因?yàn)闀r(shí)空的變化而改變。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，引力從一個(gè)地點(diǎn)傳遞到另一個(gè)地點(diǎn)就是通過(guò)這個(gè)過(guò)程，而非牛頓所認(rèn)為的某種神秘超距作用。就像地質(zhì)上的振顫一樣，引力“漣漪”也以一個(gè)特定的有限速度傳播——光速。
要想了解時(shí)空結(jié)構(gòu)的改變，我們的思維必須克服抽象概念的障礙。時(shí)空不像地質(zhì)地貌那樣直觀可見，我們沒(méi)法看到它，更別說(shuō)辨別它的形狀了。不過(guò)，我們還是能捕捉到一些間接的證據(jù)碎片：就像在汽車擋風(fēng)玻璃上滑過(guò)的雨滴的印跡可以顯示玻璃的曲率一樣，空間中自由運(yùn)動(dòng)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(xué)家常常觀測(cè)的來(lái)自遙遠(yuǎn)恒星的光線，它們開始是平行的，在經(jīng)過(guò)一團(tuán)大質(zhì)量物體（例如太陽(yáng)）后，就變成相互交叉的了。教科書和研究文獻(xiàn)中通常將這種現(xiàn)象描述為太陽(yáng)的引力造成“光線彎曲”，但這并不完全正確：光線其實(shí)直得不能再直了，太陽(yáng)真正起到的作用是改變了幾何定則——即扭曲了空間——所以平行線才得以交叉。
時(shí)間和空間的變化不僅僅存在于遙遠(yuǎn)的物理學(xué)的“奇異”領(lǐng)域里，其實(shí)它支配了任何下落物體的運(yùn)動(dòng)。無(wú)論是棒球、酒杯，還是貴重的智能手機(jī)，只要它們從你手中滑落，就會(huì)向地面加速下墜，而這正是源自地球的質(zhì)量造成的時(shí)間彎曲（在這些例子中，空間的彎曲只起到了次要作用）。之所以向“下”落，是由時(shí)間流逝更慢的方向決定的。位于海平面的時(shí)鐘要比在德納利峰（北美洲最高峰，位于美國(guó)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(lái)看這種偏差很微小，最多只有萬(wàn)億分之一，但足以解釋墜落物體的加速度。你看到一個(gè)蘋果從樹上落下時(shí)，其實(shí)觀察到的是它在“滑過(guò)”時(shí)間的彎曲輪廓。
相對(duì)論的啟示
雖然時(shí)空形狀的改變解釋并消除了牛頓理論中的“非定域性”，但是它又帶來(lái)了一個(gè)新變化，這來(lái)源于相對(duì)論的核心新觀念，即不存在超離于時(shí)空之外的位置，沒(méi)有任何外界的，或者說(shuō)絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)可以用來(lái)判定時(shí)空。這個(gè)看似不言自明的論斷卻有顯著的后果：它意味著時(shí)空不僅僅會(huì)彎曲，而且許多我們附加在其上的屬性也不復(fù)存在，包括定義位置的能力。
馬羅爾夫說(shuō)，否認(rèn)存在“上帝之眼”一般的觀察角度是非常微妙的事，而且，實(shí)話說(shuō)，愛因斯坦自己在很長(zhǎng)一段時(shí)間里都沒(méi)能理解這點(diǎn)。之前關(guān)于空間的概念，包括牛頓時(shí)空觀，甚至愛因斯坦自己早期的觀念，都認(rèn)為它具有固定的幾何結(jié)構(gòu)，因而讓人能夠想象自己超然于空間之外，然后俯瞰觀察它。實(shí)際上，愛因斯坦一度主張必定存在一個(gè)絕對(duì)的參照點(diǎn)，否則空間的形狀就會(huì)變得模糊不清。
要想理解為什么會(huì)出現(xiàn)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(huì)認(rèn)為地形具有獨(dú)一無(wú)二的“真實(shí)”外形，就像谷歌地球上顯示的那樣，但實(shí)際上，外形是由觀察者處在那個(gè)地形中的感受決定的，而那種感受可以變化?？荚囘t到的學(xué)生，扭傷了腳踝而蹣跚前行的運(yùn)動(dòng)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(duì)校園的感知是非常不同的。一個(gè)人眼中的一步之遙，對(duì)另一個(gè)人來(lái)說(shuō)或許就像看不到盡頭的跋涉。一旦失去了從高處俯瞰的能力，我們就無(wú)法再對(duì)某個(gè)東西在某個(gè)地方做出絕對(duì)的表述。
1915年，愛因斯坦頓悟到，這種模糊性并非瑕疵，而是自然本身的性質(zhì)。他指出，無(wú)論怎樣，我們都無(wú)法觀測(cè)到某個(gè)地點(diǎn)具有絕對(duì)的位置。相反，我們是根據(jù)物體的相對(duì)排列來(lái)確定它們的位置的，并且關(guān)鍵在于，那些相對(duì)位置是客觀的，每一個(gè)走在校園里的人都會(huì)承認(rèn)那些地點(diǎn)的基本安排順序，比如UCSB的學(xué)生活動(dòng)中心和潟湖挨在一起，而不是分別位于校園的一側(cè)。知道了這些相對(duì)關(guān)系后，即使地形經(jīng)歷了變化、彎曲或流動(dòng)，其中的居民也永遠(yuǎn)感覺(jué)不到。對(duì)時(shí)空而言同樣如此：不同的觀察者可以賦予某一地點(diǎn)不同位置，但在各個(gè)地點(diǎn)的相互關(guān)系上的看法是一致的，事件的發(fā)生就由這些關(guān)系確定?！氨确秸f(shuō)，在第一個(gè)時(shí)空中，喬治和唐中午在一間特定的咖啡館見面，”馬羅爾夫?qū)ξ医忉尩?，“在變化了的時(shí)空中，他們也做了這件事。只不過(guò)第一種情況下這件事發(fā)生在B點(diǎn)，而變化了的第二種情況下，同樣的事情則發(fā)生在了A點(diǎn)。”
從而，這間咖啡館可以位于A點(diǎn)或B點(diǎn)，也可以是C、D、E點(diǎn)——有無(wú)窮多可能的位置。我們說(shuō)這個(gè)東西位于某地點(diǎn)，實(shí)際上是在說(shuō)它同其他地標(biāo)相對(duì)關(guān)系的簡(jiǎn)化表達(dá)。咖啡館沒(méi)有明確的坐標(biāo)，必須由其中或周圍的東西來(lái)定位。為了確定它的位置，你需要在世界里尋找一個(gè)地方，那里的餐桌、座椅和沙拉吧是那樣安排的，那里的陽(yáng)臺(tái)可以俯視一個(gè)沐浴在南加州金色陽(yáng)光下的潟湖。學(xué)生活動(dòng)中心的位置不是它自己的屬性，而是它所在的整個(gè)系統(tǒng)的屬性?！皬脑瓌t上講，問(wèn)一個(gè)東西在哪里，這個(gè)問(wèn)題涉及到整個(gè)時(shí)空?！瘪R羅爾夫說(shuō)。
定域測(cè)量的模糊性是非定域性的一種表現(xiàn)形式。首先，對(duì)于像能量這樣的物理量，就無(wú)法把它們限定在任何特定的位置上，原因很簡(jiǎn)單——因?yàn)楦静淮嬖谑裁刺囟ㄎ恢眠@一說(shuō)。想確定一個(gè)位置，就好比想用海面上漂浮的一面旗子來(lái)標(biāo)識(shí)邊界一樣不靠譜。空間里的點(diǎn)是不可區(qū)分，并且可以相互交換的，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈梢苑直娴奶卣?，所以無(wú)論這個(gè)世界由什么構(gòu)成，都必然不可能是基于這些點(diǎn)的?？臻g無(wú)法支持任何定域結(jié)構(gòu)的存在。與引力相關(guān)的量必然是整體性的——即作為時(shí)空整體而言的屬性。
此外，空間所表現(xiàn)出的互相等價(jià)的多種不同形狀，是由引力場(chǎng)的不同結(jié)構(gòu)描述的。在其中一個(gè)結(jié)構(gòu)中的某一地點(diǎn)，引力場(chǎng)產(chǎn)生的力可能比在另一個(gè)結(jié)構(gòu)中的更強(qiáng)，而這種差異則會(huì)在其他地方得到補(bǔ)償，從而保持物體之間相對(duì)排布的不變性。引力場(chǎng)中的點(diǎn)必須彼此相互關(guān)聯(lián)，只有這樣才能讓它們?cè)趤?lái)回變化的情況下仍然產(chǎn)生同樣的整體排布。而這樣的關(guān)聯(lián)，勢(shì)必違反了認(rèn)為空間中單個(gè)位置獨(dú)立存在的理論。馬羅爾夫這樣解釋道：“關(guān)于引力的任何理論都不是定域場(chǎng)論。即使是在經(jīng)典理論里，也有重要的約束方程。在時(shí)空中，‘這點(diǎn)’的場(chǎng)和‘那點(diǎn)’的場(chǎng)不是獨(dú)立的?！?/p>
在大多數(shù)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，并用它們來(lái)確定坐標(biāo)格點(diǎn)。你甚至可以把洛杉磯作為宇宙的中心（圣巴巴拉的居民可能會(huì)不太高興），并相對(duì)于它來(lái)確定其他所有的地點(diǎn)。在這個(gè)體系中，你可以輕松簡(jiǎn)單地只管做自己的事，而完全忽略空間無(wú)法標(biāo)定位置這一基本屬性?！耙坏┤绱耍锢韺W(xué)似乎就是定域的了，”馬羅爾夫說(shuō)，“引力作用完全是定域的，物體的運(yùn)動(dòng)也是連續(xù)的，在光速的限制之下?！钡牵@樣的定域只是“偽定域”，非定域性始終存在，它暗藏在表面現(xiàn)象之下，只有在極端環(huán)境（例如黑洞）里才會(huì)嶄露頭角。
簡(jiǎn)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(xiàn)出了非定域性特征。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(duì)空間這一框架內(nèi)運(yùn)作。而在愛因斯坦的描繪中，引力喪失了超距作用的魔力，它的影響像漣漪一樣以光速在宇宙中傳播。但是，它卻打破了絕對(duì)空間的框架，違背了愛因斯坦也曾持有的，定域性的最基本理念——所有物體都應(yīng)該具有一個(gè)位置。我們?cè)鴮⒖臻g看作一個(gè)包含物質(zhì)實(shí)體的固定容器，廣義相對(duì)論攪亂了這一直觀圖像，從而迫使我們?nèi)ふ谊P(guān)于位置的全新觀念。
