超距作用

物理学术语

超距作用（action at a distance）在物理学里，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。

简介

在物理学里，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，从场的概念，到量子纠缠的描述与标准模型媒介粒子的点子。

研究历史

古代原子论者认为，世界是由微粒和真空（空虚的空间）二者组成的，微粒之间的作用是在空虚的空间中传递的。这是古老的超距作用的观点。而古代中国人认为，世界并无空虚，阴阳二气充满太虚，一切作用（电的、磁的、星体间以及潮汐作用）都是由阴阳二气作用为传递的媒质。这是古老的接触作用。17世纪，在西方关于物体之间的作用就存在两种对立的猜想。R.笛卡儿吸取古希腊亚里士多德的以太观念，提出以太涡旋说，以此解释太阳系内行星的运动和彼此之间的作用，即星体间的作用是以太传递的。此时，由于法国哲学家P.伽森狄的努力，古希腊的原子论复活。大多数物理学家仍然相信超距作用。

早在牛顿以前，对于物体之间的作用就存在两种对立的猜想：一种认为物体之间除了通常的接触作用（拉压、冲击）之外，还存在超距作用；一种认为物体之间的所有作用力都是近距作用，两个远离物体之间的作用力必须通过某种中间媒介物质传递，不存在任何超距作用，这种中间媒质被称为以太（见以太论）。当时的大多数自然哲学家认为超距作用带有神秘的色彩，而倾向于近距作用观点。

牛顿学说

1686年，牛顿发表其根据开普勒行星运动定律得到的万有引力定律，并以此说明月球和行星运动以及潮汐现象。万有引力定律只提到两粒子相互直接作用于对方的引力，并未解释引力传递过程，而且这条定律与时间无关，意味着瞬时直接的超距作用。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，不论任何其它系统是否影响遥远系统，并且，没有任何过程毗连地传递其影响于空间和时间。牛顿试图寻找引力的原因，但并未获得成功。牛顿的引力定律支持超距作用观点，但是牛顿本人并不认为引力是超距的。他在给R.本特利的一封信中曾写道：“很难想象没有别种无形的媒介，无生命感觉的物质可以毋须相互接触而对其他物质起作用和产生影响。……一个物体可以通过真空超距地作用在另一个物体上而不需要任何其他介质，它们的作用和力可以通过真空从一个物体传递到另一个物体，这种观点在我看来是荒唐之极，以致我认为没有一个在哲学上有足够思考力的人会同意这种观点。” 牛顿本人倒是倾向于以太观点的，他在给R.玻意耳的信中私下表示相信，最终一定能够找到某种物质作用来说明引力。牛顿曾经以“稀薄的以太”、“以太精气的连续凝聚”等观念来解释引力和光的现象。但是，他对以太的具体设想与当时的颇具影响的笛卡尔观点在细节上有所不同。18世纪以后，人们往往把引力作用中的“超距”信条归之于牛顿是不正确的。其实，将此信条归之于牛顿的追随学者R.科茨更合适些。

科茨于1713年为牛顿的著作《自然哲学的数学原理》第二版作序。从哲学方法上推崇牛顿学说的意义，该序言以大量文字攻击笛卡尔的涡旋以太论。序文中虽然没有引用“超距作用”一词，但他在抨击以太论的同时认为宇宙中存在真空，这一观点无形中让人们以为牛顿的引力定律是倡导超距作用的。这篇序言把牛顿的引力定律看作是超距作用的典范，并把它说成是实验事实的唯一概括。超距和近距两种对立观点在18世纪初争论激烈。甚至于出现了这样的情形：法国笛卡尔主义者在反对超距作用的同时，不恰当地否认引力的平方反比定律；年轻的牛顿追随者为捍卫牛顿的学说，又反对包括以太在内的全部笛卡尔观点。

由于引力定律在说明太阳系内的星体运动获得极大成功，而对于以太的探索却未有任何实际结果，超距作用观点因之流行。J.拉格朗日、P.拉普拉斯和S.泊松等人又从引力定律发展出数学上简单而优美的势论，更加支持了超距作用的观点。于是，超距观点被移用到物理学其他领域，早期的电磁理论就是一例。尤其是法国物理学家C.库仑等人在静电、静磁领域假定电荷或磁体是超距地彼此吸引或排斥，而不受其间介质的任何影响。德国F.艾皮努斯、英国H.卡文迪什和法国泊松等人也以超距的直线作用观点解释静电和静磁的感应现象。整个18世纪和19世纪的大半个世纪，超距作用观点在物理学中居统治地位。一些持此观点的物理学家也曾对物理学的发展作出相当的贡献。

反超距说

1905年，爱因斯坦的狭义相对论确立了崭新的时空观，并指出真空中的光速是一切物理作用传播速度的极限。这就在整个物理学中排除了瞬时超距作用的可能性。1916年，爱因斯坦建立了广义相对论，他将牛顿的引力定律作为一种近似保留下来，并且提出了引力波、引力辐射的概念。引力辐射也是以光速传播的。根据广义相对论，物体振荡时辐射引力波，引力辐射也是以光速传播的；双致密星由于引力辐射其能量衰减（称为引力辐射阻尼），导致其转动周期变短。1979年，J.泰勒等人报道了他们对射电脉冲双星PSR1913+16四年多的监视性观测，确认了它由于引力辐射阻尼引起的转动周期稳定地变短确实存在，对于引力波的存在是一个很好的支持。星际空间的引力场也为人们普遍接受。星体之间的超距引力作用也被放弃了。

人们认识到自然界中四种基本相互作用，即引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。它们都是通过场而彼此传递作用的。

早期的超距作用认为作用是瞬时的，这一点在后来曾有所修改。有些物理学家提出“延迟超距作用”，认为源对某一粒子的作用是延迟了一段时间 r/с的超越空间的直接作用，其中r是源和粒子之间的距离，с为真空中的光速。这种修正了的超距作用观点在说明某些现象时与场作用观点是等效的；但是，在说明另一些现象，特别是正反粒子的湮没时显得牵强附会。因此，它并未被一般物理学家所接受。

实验论证

超距作用的衰落和近距作用的确认得益于M.法拉第和J.麦克斯韦等人的研究成果。

电磁感应实验

19世纪30年代至50年代初，法拉第对电磁现象的实验研究作出了卓越的贡献。他的实验研究的丰硕成果对以后的科学发展起了巨大的推动作用。法拉第反对超距作用，并对之进行批判，提出“邻接作用”概念。后者也就是近距作用或接触作用。起初，他用“力线”描述磁极之间和带电体之间的相互作用，指出力线在空间是曲线而不是直线。各种各样的力线（如“热力线”、“重力线”、“电力线”、“磁力线”，甚至“光线”）布满空间，各自形成力场。因此，电的或磁的相互作用就不会是超距作用所想象的那种直接作用；他研究了插入的电介质对带电体之间的电力强度的影响（1837），认为这种影响表明电力的作用不可能是超越距离的直接作用，同样的效应在磁现象中也发生；他还根据他所发现的电磁感应现象（1831）指出，仅有导线的运动事实不足以产生电流，磁铁的周围必定存在某种“状态”，导线就是在其区域内移动才产生感应电流；此外，他对于磁光效应的研究（偏振光振动面的磁致旋转，1845）使其相信光和电磁现象有某种联系，他甚至猜测磁效应的传播速度可能与光的速度有相同的量级。继而，他又产生了空间和力的全新概念。在他看来，空间不仅是物质和力的场所，而且这场所本身总是处在一种特定的“状态”之中，即“抻紧”的振动状态。因此，空间还是一种能承载电力、磁力和其他各种力所引起的应变介质。世界的能量并不局限于发出力的物质粒子中，而且存在于这些物质粒子的四周空间中。可以说，法拉第从研究电磁感应而得到力线概念，又从力线推导出场的观念。在他心目中，力场完全取代了以太。他说：“我的观点是要排除以太，而并不是排除振动。” 超距作用在法拉第心目中首次被严格地排斥在科学之外。

受法拉第影响的不仅有开尔文，更有麦克斯韦将电磁场概念以一组数学方程式归纳之，并推导出以有限速度传播的电磁波，其波速就是光速。1887年，H.赫兹以实验证实电磁波存在，并确认法拉第和麦克斯韦电磁理论的正确性。1898年A.李纳和E.维谢尔分别提出了推迟势，为电磁作用以有限速度传播找到了确切的表示。起初，麦克斯韦借用以太观念推导出他的一组方程式，而当赫兹证实电磁波时，人们还以为这是以太存在的证据。也就是说，麦克斯韦的电磁理论是以接触作用为基础的。后来麦克斯韦在他的《电磁理论》著作中强调说：“电抻紧状态是电磁场的运动性质，它具有确定的量，数学家应当把它作为一个物理真理接受下来。” 爱因斯坦在1931年纪念麦克斯韦诞生100周年时曾说：法拉第和麦克斯韦的工作是自牛顿以来“物理学公理基础的最伟大的变革”；从此，“连续的场同质点一起看来都是物理实在的代表”。到20世纪初，“电磁场概念作为一种终极实体已经普遍接受”。至此，“场”这种物质实体完全代替了假想的以太。毋须介质传递的超距作用的观念在磁学领域已为多数物理学家所抛弃。

美国国家标准与技术研究院实验

2015年11月发表在期刊《Physical Review Letters》上的一篇论文中，研究人员给出了迄今为止最可靠的证据，证明量子纠缠的确存在。美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员们制造了数对两两相同的光子，并将它们分别送往不同的地方进行观测。该研究团队成功堵住了此前贝尔实验中的三大“漏洞”，最终取得了卓越的实验成果。开展的一项实验显示，“幽灵般的超距作用”的确存在，并为其提供了具有说服力的证据。

现代诠释

在电磁学里，为了要说明超距作用，导致发展出场论，场能够媒介电流与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。

根据爱因斯坦的狭义相对论，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。从先前高度成功的电动力学案例来看，相对论性引力理论可能需要使用场的概念或者其它类似概念。

爱因斯坦的广义相对论已经对这问题给出解答，引力相互作用是依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，时空具有非欧几里得性质。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。

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、波多尔斯基和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悖论，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动，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。（详情请参见词条：量子纠缠）

有一种类似的观点认为，如果你知道一对粒子（他们之间就像有纽带束缚着），其中一个向左自旋，另一个就会向右自旋，爱因斯坦说这证明量子理论是荒唐的，但同样，这不能表明人们能以比光快的速度传递信息

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。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。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，但其中绝大多数实验都存在不同程度的“探测漏洞”或“通信漏洞”，不能严格证实隐变量错误。

但在2015年8月24日，荷兰代尔夫特大学的物理学家罗纳德·汉森（Ronald Hanson）领导的团队在论文预印本网站arXiv上传了他们最新的论文，报道他们实现了第一例可以同时解决探测漏洞和通信漏洞的贝尔实验。该研究组使用了一种巧妙的技术，称为“纠缠交换”（entanglement swapping），可以将光子与物质粒子的好处结合在一起。他们首先取了位于代尔夫特大学两个不同实验室中的一对非纠缠电子，彼此间距离为1.3千米，每个电子都与一个光子相纠缠，而这两个光子都被发送到了第三个地点。在第三个地点他们让这两个光子纠缠，这就导致了与光子相纠缠的两个电子也处于纠缠态。“幽灵般的超距作用”得到严格检验。

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