超距作用[物理學術語]

簡介

在物理學裡， 超距作用（英語：action at a distance）指的是分別處於空間兩個不毗連區域的兩個物體彼此之間的非局域相互作用。

在早期的引力理論、電磁理論里，超距作用這術語最常用於描述物體因遙遠物體影響而產生的現象。更一般地，早期原子論、機械論（mechanistic theory）試圖將所有物理相互作用都約化為碰撞，其中一些不成功案例只能被歸咎為超距作用。對於這難以理解的現象所作的探索與分析，導致物理學顯著的發展，從場的概念，到量子糾纏的描述與標準模型媒介粒子的點子。

研究歷史

古代原子論者認為，世界是由微粒和真空（空虛的空間）二者組成的，微粒之間的作用是在空虛的空間中傳遞的。這是古老的超距作用的觀點。而古代中國人認為，世界並無空虛，陰陽二氣充滿太虛，一切作用（電的、磁的、星體間以及潮汐作用）都是由陰陽二氣作用為傳遞的媒質。這是古老的接觸作用。17世紀，在西方關於物體之間的作用就存在兩種對立的猜想。R.笛卡兒吸取古希臘亞里士多德的以太觀念，提出以太渦旋說，以此解釋太陽系內行星的運動和彼此之間的作用，即星體間的作用是以太傳遞的。此時，由於法國哲學家P.伽森狄的努力，古希臘的原子論復活。大多數物理學家仍然相信超距作用。

早在牛頓以前，對於物體之間的作用就存在兩種對立的猜想：一種認為物體之間除了通常的接觸作用（拉壓、衝擊）之外，還存在超距作用；一種認為物體之間的所有作用力都是近距作用，兩個遠離物體之間的作用力必須通過某種中間媒介物質傳遞，不存在任何超距作用，這種中間媒質被稱為以太（見以太論）。當時的大多數自然哲學家認為超距作用帶有神秘的色彩，而傾向於近距作用觀點。

牛頓學說

1686年，牛頓發表其根據克卜勒行星運動定律得到的萬有引力定律，並以此說明月球和行星運動以及潮汐現象。萬有引力定律只提到兩粒子相互直接作用於對方的引力，並未解釋引力傳遞過程，而且這條定律與時間無關，意味著瞬時直接的超距作用。引力理論不能給出任何引力相互作用的媒介。它假設引力具有瞬時性質，不管距離有多遠。從牛頓力學的觀點，超距作用可以視為一種現象，在這現象里，一個系統的內秉性質會影響遙遠系統內秉性質，不論任何其它系統是否影響遙遠系統，並且，沒有任何過程毗連地傳遞其影響於空間和時間。牛頓試圖尋找引力的原因，但並未獲得成功。牛頓的引力定律支持超距作用觀點，但是牛頓本人並不認為引力是超距的。他在給R.本特利的一封信中曾寫道：“很難想像沒有別種無形的媒介，無生命感覺的物質可以毋須相互接觸而對其他物質起作用和產生影響。……一個物體可以通過真空超距地作用在另一個物體上而不需要任何其他介質，它們的作用和力可以通過真空從一個物體傳遞到另一個物體，這種觀點在我看來是荒唐之極，以致我認為沒有一個在哲學上有足夠思考力的人會同意這種觀點。” 牛頓本人倒是傾向於以太觀點的，他在給R.玻意耳的信中私下表示相信，最終一定能夠找到某種物質作用來說明引力。牛頓曾經以“稀薄的以太”、“以太精氣的連續凝聚”等觀念來解釋引力和光的現象。但是，他對以太的具體構想與當時的頗具影響的笛卡爾觀點在細節上有所不同。18世紀以後，人們往往把引力作用中的“超距”信條歸之於牛頓是不正確的。其實，將此信條歸之於牛頓的追隨學者R.科茨更合適些。

科茨於1713年為牛頓的著作《自然哲學的數學原理》第二版作序。從哲學方法上推崇牛頓學說的意義，該序言以大量文字攻擊笛卡爾的渦旋以太論。序文中雖然沒有引用“超距作用”一詞，但他在抨擊以太論的同時認為宇宙中存在真空，這一觀點無形中讓人們以為牛頓的引力定律是倡導超距作用的。這篇序言把牛頓的引力定律看作是超距作用的典範，並把它說成是實驗事實的唯一概括。超距和近距兩種對立觀點在18世紀初爭論激烈。甚至於出現了這樣的情形：法國笛卡爾主義者在反對超距作用的同時，不恰當地否認引力的平方反比定律；年輕的牛頓追隨者為捍衛牛頓的學說，又反對包括以太在內的全部笛卡爾觀點。

由於引力定律在說明太陽系內的星體運動獲得極大成功，而對於以太的探索卻未有任何實際結果，超距作用觀點因之流行。J.拉格朗日、P.拉普拉斯和S.泊松等人又從引力定律發展出數學上簡單而優美的勢論，更加支持了超距作用的觀點。於是，超距觀點被移用到物理學其他領域，早期的電磁理論就是一例。尤其是法國物理學家C.庫侖等人在靜電、靜磁領域假定電荷或磁體是超距地彼此吸引或排斥，而不受其間介質的任何影響。德國F.艾皮努斯、英國H.卡文迪什和法國泊松等人也以超距的直線作用觀點解釋靜電和靜磁的感應現象。整個18世紀和19世紀的大半個世紀，超距作用觀點在物理學中居統治地位。一些持此觀點的物理學家也曾對物理學的發展作出相當的貢獻。

反超距說

1905年，愛因斯坦的狹義相對論確立了嶄新的時空觀，並指出真空中的光速是一切物理作用傳播速度的極限。這就在整個物理學中排除了瞬時超距作用的可能性。1916年，愛因斯坦建立了廣義相對論，他將牛頓的引力定律作為一種近似保留下來，並且提出了引力波、引力輻射的概念。引力輻射也是以光速傳播的。根據廣義相對論，物體振盪時輻射引力波，引力輻射也是以光速傳播的；雙緻密星由於引力輻射其能量衰減（稱為引力輻射阻尼），導致其轉動周期變短。1979年，J.泰勒等人報導了他們對射電脈衝雙星PSR1913+16四年多的監視性觀測，確認了它由於引力輻射阻尼引起的轉動周期穩定地變短確實存在，對於引力波的存在是一個很好的支持。星際空間的引力場也為人們普遍接受。星體之間的超距引力作用也被放棄了。

人們認識到自然界中四種基本相互作用，即引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用。它們都是通過場而彼此傳遞作用的。

早期的超距作用認為作用是瞬時的，這一點在後來曾有所修改。有些物理學家提出“延遲超距作用”，認為源對某一粒子的作用是延遲了一段時間 r/с的超越空間的直接作用，其中r是源和粒子之間的距離，с為真空中的光速。這種修正了的超距作用觀點在說明某些現象時與場作用觀點是等效的；但是，在說明另一些現象，特別是正反粒子的湮沒時顯得牽強附會。因此，它並未被一般物理學家所接受。

實驗論證

超距作用的衰落和近距作用的確認得益於M.法拉第和J.麥克斯韋等人的研究成果。

電磁感應 實驗

19世紀30年代至50年代初，法拉第對電磁現象的實驗研究作出了卓越的貢獻。他的實驗研究的豐碩成果對以後的科學發展起了巨大的推動作用。法拉第反對超距作用，並對之進行批判，提出“鄰接作用”概念。後者也就是近距作用或接觸作用。起初，他用“力線”描述磁極之間和帶電體之間的相互作用，指出力線在空間是曲線而不是直線。各種各樣的力線（如“熱力線”、“重力線”、“電力線”、“磁力線”，甚至“光線”）布滿空間，各自形成力場。因此，電的或磁的相互作用就不會是超距作用所想像的那種直接作用；他研究了插入的電介質對帶電體之間的電力強度的影響（1837），認為這種影響表明電力的作用不可能是超越距離的直接作用，同樣的效應在磁現象中也發生；他還根據他所發現的電磁感應現象（1831）指出，僅有導線的運動事實不足以產生電流，磁鐵的周圍必定存在某種“狀態”，導線就是在其區域內移動才產生感應電流；此外，他對於磁光效應的研究（偏振光振動面的磁致旋轉，1845）使其相信光和電磁現象有某種聯繫，他甚至猜測磁效應的傳播速度可能與光的速度有相同的量級。繼而，他又產生了空間和力的全新概念。在他看來，空間不僅是物質和力的場所，而且這場所本身總是處在一種特定的“狀態”之中，即“抻緊”的振動狀態。因此，空間還是一種能承載電力、磁力和其他各種力所引起的應變介質。世界的能量並不局限於發出力的物質粒子中，而且存在於這些物質粒子的四周空間中。可以說，法拉第從研究電磁感應而得到力線概念，又從力線推導出場的觀念。在他心目中，力場完全取代了以太。他說：“我的觀點是要排除以太，而並不是排除振動。” 超距作用在法拉第心目中首次被嚴格地排斥在科學之外。

受法拉第影響的不僅有開爾文，更有麥克斯韋將電磁場概念以一組數學方程式歸納之，並推導出以有限速度傳播的電磁波，其波速就是光速。1887年，H.赫茲以實驗證實電磁波存在，並確認法拉第和麥克斯韋電磁理論的正確性。1898年A.李納和E.維謝爾分別提出了推遲勢，為電磁作用以有限速度傳播找到了確切的表示。起初，麥克斯韋借用以太觀念推導出他的一組方程式，而當赫茲證實電磁波時，人們還以為這是以太存在的證據。也就是說，麥克斯韋的電磁理論是以接觸作用為基礎的。後來麥克斯韋在他的《電磁理論》著作中強調說：“電抻緊狀態是電磁場的運動性質，它具有確定的量，數學家應當把它作為一個物理真理接受下來。” 愛因斯坦在1931年紀念麥克斯韋誕生100周年時曾說：法拉第和麥克斯韋的工作是自牛頓以來“物理學公理基礎的最偉大的變革”；從此，“連續的場同質點一起看來都是物理實在的代表”。到20世紀初，“電磁場概念作為一種終極實體已經普遍接受”。至此，“場”這種物質實體完全代替了假想的以太。毋須介質傳遞的超距作用的觀念在磁學領域已為多數物理學家所拋棄。

美國國家標準與技術研究院實驗

2015年11月發表在期刊《Physical Review Letters》上的一篇論文中，研究人員給出了迄今為止最可靠的證據，證明量子糾纏的確存在。美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員們製造了數對兩兩相同的光子，並將它們分別送往不同的地方進行觀測。該研究團隊成功堵住了此前貝爾實驗中的三大“漏洞”，最終取得了卓越的實驗成果。開展的一項實驗顯示，“幽靈般的超距作用”的確存在，並為其提供了具有說服力的證據。

現代詮釋

在電磁學裡，為了要說明超距作用，導致發展出場論，場能夠媒介電流與電荷之間隔著自由空間彼此施加於對方的相互作用。根據場論，電荷在四周生成電場，其它電荷會感受到電場的作用力，這就是兩個帶電粒子彼此之間庫侖相互作用的機制。麥克斯韋方程組用電磁場來計算所有電磁相互作用。在麥克斯韋理論里，場的概念被提升至基礎角色，場具有自己的實體，在空間擁有動量與能量，超距作用只是電荷與電磁場彼此之間局域相互作用所產生的表觀效應。

根據愛因斯坦的狹義相對論，瞬時超距作用違反了信息傳遞速度的上限。假設兩個物體彼此相互作用，其中一個物體突然改變位置，另外一個物體會瞬時感受到影響，即信息傳遞速度比光速（光波傳播於真空的速度）還快，則此現象屬於“超距作用”。

相對論性引力理論必須滿足一個條件——信息傳遞速度必須低於光速。從先前高度成功的電動力學案例來看，相對論性引力理論可能需要使用場的概念或者其它類似概念。

愛因斯坦的廣義相對論已經對這問題給出解答，引力相互作用是依靠時空幾何彎曲的機制來傳遞。物質促成了時空幾何彎曲，並且這效應如同電磁場一樣，是以光速傳遞。由於物質的存在，時空具有非歐幾里得性質。在牛頓力學裡，空間作用於物體，但物體沒有作用於空間。在愛因斯坦相對論里，物質作用於時空幾何，使時空幾何產生形變，而時空幾何也作用於物質，造成引力現象。

20世紀，量子力學對於物理程式是否應該遵守局域論（排除超距作用）這問題給出了嶄新的挑戰。1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森共同提出了愛因斯坦-波多爾斯基-羅森思想實驗，後來知名為EPR悖論，可以凸顯出局域實在論與量子力學完備性之間的矛盾。大致而言，假設兩個粒子相互作用後向相反方向移動，過了一段時間，雖然兩個粒子相隔極遠，彼此之間不存在任何經典相互作用，但是，若分別測量它們的性質所獲得的結果，則可發覺它們的性質非常怪異地相互關聯，意味著這其中可能存在某種超距作用。實際而言，量子力學的哥本哈根詮釋表明，這是因為波函式坍縮機制，一種違反狹義相對論的超距作用。（詳情請參見詞條：量子糾纏）

有一種類似的觀點認為，如果你知道一對粒子（他們之間就像有紐帶束縛著），其中一個向左自旋，另一個就會向右自旋，愛因斯坦說這證明量子理論是荒唐的，但同樣，這不能表明人們能以比光快的速度傳遞信息

1953年，英國物理學家大衛·玻姆同樣認為哥本哈根詮釋對物理實在的解釋是不完備的，需要附加的參量來描述，他從而提出隱變數理論。1965年，北愛爾蘭物理學家約翰·貝爾在提出貝爾不等式，為隱變數理論提供了實驗驗證方法。從二十世紀七十年代至今，對貝爾不等式的驗證給出的大多數結果是否定的，但其中絕大多數實驗都存在不同程度的“探測漏洞”或“通信漏洞”，不能嚴格證實隱變數錯誤。

但在2015年8月24日，荷蘭代爾夫特大學的物理學家羅納德·漢森（Ronald Hanson）領導的團隊在論文預印本網站arXiv上傳了他們最新的論文，報導他們實現了第一例可以同時解決探測漏洞和通信漏洞的貝爾實驗。該研究組使用了一種巧妙的技術，稱為“糾纏交換”（entanglement swapping），可以將光子與物質粒子的好處結合在一起。他們首先取了位於代爾夫特大學兩個不同實驗室中的一對非糾纏電子，彼此間距離為1.3千米，每個電子都與一個光子相糾纏，而這兩個光子都被傳送到了第三個地點。在第三個地點他們讓這兩個光子糾纏，這就導致了與光子相糾纏的兩個電子也處於糾纏態。“幽靈般的超距作用”得到嚴格檢驗。