50年物理难题获证实,爱因斯坦也错了

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虽然爱因斯坦是量子理论的始作俑者,可他本人一生都不愿接受量子力学的怪诞结论。他说过一句很有名的话“上帝是不投骰子的”,旨在否定量子力学对物理世界概率性的描述。尽管爱因斯坦已经去世60年,但他给后人留下的争论一直是科学界的热门话题。然而,几天前由荷兰物理学家发布的实验结果终于表明,爱因斯坦错了。

从量子力学诞生开始,争论就没有停止过。尽管以丹麦物理学家波尔为代表的“哥本哈根学派”认为量子力学是完备且自圆其说的,爱因斯坦等物理学家却始终坚持量子力学不是最终理论。爱因斯坦认为,物理世界的主宰是传统的机械决定论,而非概率。两派长期针锋相对,唇枪舌战,他们争论的焦点落在了“量子纠缠”(quantum entanglement)上,而量子纠缠直接挑战了经典物理学的定域性描述。比如,两个朝相反方向运动的光子,只要不受干扰,无论相距多远都可以在瞬间传递信息。打个比方,即使牛郎和织女分居在银河两头,彼此心映即刻完成,无需时间。

爱因斯坦难以接受这样的结论,因为按照他提出的相对论,信号传递的最快速度是光速,两个相距甚远的物体是不可能在瞬间交换信息的。也就是说,如果银河系有10万光年大,那么牛郎的呼唤需要10万年后才能被织女知道,绝不是发生于顷刻之间的事情。爱因斯坦为此还提出了著名的“隐变量理论”,将量子力学不能给出确定结果的概率问题,归咎于人们对某种尚未发现的“隐变量”的无知。他认为,那两个彼此背离而行的光子,一定是具有某种内在的机制,决定了它们之后的行为,只不过人们不知道罢了。也就是说,牛郎和织女在每年分手的时候都要约定好,在日后的某个时刻彼此互相思念,只是这样的约定还没有被王母娘娘发现而已。

简而言之,如果爱因斯坦是对的,那么人们依然可以按照传统的科学理念去理解世界。如果哥本哈根学派是对的,那么人们就不得不推翻许多根深蒂固的观念,重新去审视我们的世界。人们也不得不承认,真实的世界和我们通过感官所接触、所看到的世界在本质上是完全不同的。在当时,许多人都认为这样的争论不会有结果,因为这已然超越了科学范畴,上升为一个哲学问题。

可转机出现在上世纪60年代中叶,当时爱因斯坦已经去世10年。欧洲核子研究组织(CERN)的约翰·贝尔(John Bell)在赴美国访问期间,发表了著名的论文,将这一看似抽象的哲学问题简化为一个清晰的数学不等式,它被人们称为“贝尔不等式”。贝尔不等式其实是说,如果爱因斯坦提出的隐变量存在的话,那么在特定的实验条件下,实验结果(大量独立重复实验的统计概率)就会被限制在一个范围之内。一旦实验测量超出该范围,即贝尔不等式不成立的话,那么爱因斯坦就是错的,隐变量理论也就不正确。由于贝尔不等式可以直接付诸实验观测,爱因斯坦与哥本哈根学派之间的争论不再具有形而上的神秘色彩。取而代之的是,人们开始热衷于贝尔不等式的实验观测。

然而实验测量并不简单。在过去的50年里,人们提出了不计其数的实验方案,但每一个方案都有漏洞。所以,尽管许多实验得到了违反贝尔不等式的结果,但由于漏洞的存在也无法在逻辑上直接证明贝尔不等式不成立。令人振奋的是,最近由荷兰代尔夫特科技大学的Ronald Hanson领导的科研团队,终于实现了没有漏洞的实验观测,50年来第一次无懈可击地直接证明了贝尔不等式不成立。

Hanson团队的实验设计十分巧妙。他们在相距1.28千米的两个实验室里,分别用微波去激发处于极低温的钻石里的电子。当电子被激发出来时,它们同时也放出与自身相纠缠的光子。两边的光子通过光纤传送到位于两实验室之间的另一个探测地点,这里精确记录着光子到达的时间。如果两边发射过来的光子同时到达并以特定方式干涉,那么两个光子就会立即将自己所“代表”的电子纠缠起来,实现远程的量子纠缠。这好比远隔10万光年的牛郎和织女各派一个天使在鹊桥相会,如果两个天使同时到达并正确表达了主人的意思,那么牛郎和织女就实现了远程的“约会”。

由于两边的实验室在同时测量电子的自旋,一旦两个电子实现了远程的量子纠缠,仪器就会记录它们自旋在不同方向出现的频率。大量观测数据的统计结果显示,贝尔不等式的确不成立。该实验唯一不尽人意之处,在于两边的光子精确同时到达的成功率很低,大约1.5亿个光子对中才能有一对光子成功干涉并实现电子的远程纠缠。因此,该实验一共进行了22个多小时,却只得到245次有效数据。不过,该团队目前正在努力改进,以期提高效率。

他们的实验结果刚刚出炉,尚未来得及发表于正式期刊上,但已经得到物理学界的普遍关注。“这是量子物理学一项里程碑式的文章”,澳大利亚格里菲斯大学的Howard Wiseman评价道,尽管他本人没有参与这项实验。工作于悉尼大学的物理学家Christopher Ferrie认为该实验将有深远影响,他说“物理世界和人们日常直觉上看到的世界有着深刻的不同,人们将对此不再有任何的怀疑”。维也纳大学的Anton Zeilinger领导着一个与荷兰Hanson相竞争的科研团队,当他看到Hanson这项举世瞩目的成果时不禁说道“这是一个非常漂亮的实验,除了要祝贺他们的团队以外没有别的了。”他还说,如果爱因斯坦活着的话,他一定会对此印象深刻。

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