雖然愛(ài)因斯坦是量子理論的始作俑者，可他本人一生都不愿接受量子力學(xué)的怪誕結(jié)論。他說(shuō)過(guò)一句很有名的話(huà)“上帝是不投骰子的”，旨在否定量子力學(xué)對(duì)物理世界概率性的描述。盡管愛(ài)因斯坦已經(jīng)去世60年，但他給后人留下的爭(zhēng)論一直是科學(xué)界的熱門(mén)話(huà)題。然而，幾天前由荷蘭物理學(xué)家發(fā)布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果終于表明，愛(ài)因斯坦錯(cuò)了。
從量子力學(xué)誕生開(kāi)始，爭(zhēng)論就沒(méi)有停止過(guò)。盡管以丹麥物理學(xué)家波爾為代表的 “哥本哈根學(xué)派”認(rèn)為量子力學(xué)是完備且自圓其說(shuō)的，愛(ài)因斯坦等物理學(xué)家卻始終堅(jiān)持量子力學(xué)不是最終理論。愛(ài)因斯坦認(rèn)為，物理世界的主宰是傳統(tǒng)的機(jī)械決定論，而非概率。兩派長(zhǎng)期針?shù)h相對(duì)，唇槍舌戰(zhàn)，他們爭(zhēng)論的焦點(diǎn)落在了“量子糾纏”(quantum entanglement)上，而量子糾纏直接挑戰(zhàn)了經(jīng)典物理學(xué)的定域性描述。比如，兩個(gè)朝相反方向運(yùn)動(dòng)的光子，只要不受干擾，無(wú)論相距多遠(yuǎn)都可以在瞬間傳遞信息。打個(gè)比方，即使牛郎和織女分居在銀河兩頭，彼此心映即刻完成，無(wú)需時(shí)間。
愛(ài)因斯坦難以接受這樣的結(jié)論，因?yàn)榘凑账岢龅南鄬?duì)論，信號(hào)傳遞的最快速度是光速，兩個(gè)相距甚遠(yuǎn)的物體是不可能在瞬間交換信息的。也就是說(shuō)，如果銀河系有 10萬(wàn)光年大，那么牛郎的呼喚需要10萬(wàn)年后才能被織女知道，絕不是發(fā)生于頃刻之間事情。愛(ài)因斯坦為此還提出了著名的“隱變量理論”，將量子力學(xué)不能給出確定結(jié)果的概率問(wèn)題，歸咎于人們對(duì)某種尚未發(fā)現(xiàn)的“隱變量”的無(wú)知。他認(rèn)為，那兩個(gè)彼此背離而行的光子，一定是具有某種內(nèi)在的機(jī)制，決定了它們之后的行為，只不過(guò)人們不知道罷了。也就是說(shuō)，牛郎和織女在每年分手的時(shí)候都要約定好，在日后的某個(gè)時(shí)刻彼此互相思念，只是這樣的約定還沒(méi)有被王母娘娘發(fā)現(xiàn)而已。
簡(jiǎn)而言之，如果愛(ài)因斯坦是對(duì)的，那么人們依然可以按照傳統(tǒng)的科學(xué)理念去理解世界。如果哥本哈根學(xué)派是對(duì)的，那么人們就不得不推翻許多根深蒂固的觀(guān)念，重新去審視我們的世界。人們也不得不承認(rèn)，真實(shí)的世界和我們通過(guò)感官所接觸、所看到的世界在本質(zhì)上是完全不同的。在當(dāng)時(shí)，許多人都認(rèn)為這樣的爭(zhēng)論不會(huì)有結(jié)果，因?yàn)檫@已然超越了科學(xué)范疇，上升為一個(gè)哲學(xué)問(wèn)題。
可轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在上世紀(jì)60年代中葉，當(dāng)時(shí)愛(ài)因斯坦已經(jīng)去世10年。歐洲核子研究組織 (CERN)的約翰·貝爾(John Bell)在赴美國(guó)訪(fǎng)問(wèn)期間，發(fā)表了著名的論文，將這一看似抽象的哲學(xué)問(wèn)題簡(jiǎn)化為一個(gè)清晰的數(shù)學(xué)不等式，它被人們稱(chēng)為“貝爾不等式”。貝爾不等式其實(shí)是說(shuō)，如果愛(ài)因斯坦提出的隱變量存在的話(huà)，那么在特定的實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果(大量獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)概率)就會(huì)被限制在一個(gè)范圍之內(nèi)。一旦實(shí)驗(yàn)測(cè)量超出該范圍，即貝爾不等式不成立的話(huà)，那么愛(ài)因斯坦就是錯(cuò)的，隱變量理論也就不正確。由于貝爾不等式可以直接付諸實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)，愛(ài)因斯坦與哥本哈根學(xué)派之間的爭(zhēng)論不再具有形而上的神秘色彩。取而代之的是，人們開(kāi)始熱衷于貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)。
然而實(shí)驗(yàn)測(cè)量并不簡(jiǎn)單。在過(guò)去的50年里，人們提出了不計(jì)其數(shù)的實(shí)驗(yàn)方案，但每一個(gè)方案都有漏洞。所以，盡管許多實(shí)驗(yàn)得到了違反貝爾不等式的結(jié)果，但由于漏洞的存在也無(wú)法在邏輯上直接證明貝爾不等式不成立。令人振奮的是，最近由荷蘭代爾夫特科技大學(xué)的Ronald Hanson領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，終于實(shí)現(xiàn)了沒(méi)有漏洞的實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)，50年來(lái)第一次無(wú)懈可擊地直接證明了貝爾不等式不成立。
Hanson團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)十分巧妙。他們?cè)谙嗑?.28千米的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室里，分別用微波去激發(fā)處于極低溫的鉆石里的電子。當(dāng)電子被激發(fā)出來(lái)時(shí)，它們同時(shí)也放出與自身相糾纏的光子。兩邊的光子通過(guò)光纖傳送到位于兩實(shí)驗(yàn)室之間的另一個(gè)探測(cè)地點(diǎn)，這里精確記錄著光子到達(dá)的時(shí)間。如果兩邊發(fā)射過(guò)來(lái)的光子同時(shí)到達(dá)并以特定方式干涉，那么兩個(gè)光子就會(huì)立即將自己所“代表”的電子糾纏起來(lái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的量子糾纏。這好比遠(yuǎn)隔10萬(wàn)光年的牛郎和織女各派一個(gè)天使在鵲橋相會(huì)，如果兩個(gè)天使同時(shí)到達(dá)并正確表達(dá)了主人的意思，那么牛郎和織女就實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的“約會(huì)”。
由于兩邊的實(shí)驗(yàn)室在同時(shí)測(cè)量電子的自旋，一旦兩個(gè)電子實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的量子糾纏，儀器就會(huì)記錄它們自旋在不同方向出現(xiàn)的頻率。大量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，貝爾不等式的確不成立。該實(shí)驗(yàn)唯一不盡人意之處，在于兩邊的光子精確同時(shí)到達(dá)的成功率很低，大約1.5億個(gè)光子對(duì)中才能有一對(duì)光子成功干涉并實(shí)現(xiàn)電子的遠(yuǎn)程糾纏。因此，該實(shí)驗(yàn)一共進(jìn)行了22個(gè)多小時(shí)，卻只得到245 次有效數(shù)據(jù)。不過(guò)，該團(tuán)隊(duì)目前正在努力改進(jìn)，以期提高效率。
他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果剛剛出爐，尚未來(lái)得及發(fā)表于正式期刊上，但已經(jīng)得到物理學(xué)界的普遍關(guān)注。 “這是量子物理學(xué)一項(xiàng)里程碑式的文章”，澳大利亞格里菲斯大學(xué)的Howard Wiseman評(píng)價(jià)道，盡管他本人沒(méi)有參與這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。工作于悉尼大學(xué)的物理學(xué)家Christopher Ferrie認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)將有深遠(yuǎn)影響，他說(shuō)“物理世界和人們?nèi)粘Ｖ庇X(jué)上看到的世界有著深刻的不同，人們將對(duì)此不再有任何的懷疑”。維也納大學(xué)的Anton Zeilinger領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)與荷蘭Hanson相競(jìng)爭(zhēng)的科研團(tuán)隊(duì)，當(dāng)他看到Hanson這項(xiàng)舉世矚目的成果時(shí)不禁說(shuō)道“這是一個(gè)非常漂亮的實(shí)驗(yàn)，除了要祝賀他們的團(tuán)隊(duì)以外沒(méi)有別的了。”他還說(shuō)，如果愛(ài)因斯坦活著的話(huà)，他一定會(huì)對(duì)此印象深刻。
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