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爱因斯坦错了:2022诺奖证实了“上帝掷骰子”
www.creaders.net | 2022-10-07 15:20:01  科技学术派 | 0条评论 | 查看/发表评论
 

2022年诺贝尔物理学奖三位获得者Alain Aspect、John Clauser和Anton Zeilinger在量子纠缠和贝尔不等式的验证方面做出了突出贡献。这意味着诺贝尔物理学奖认可了量子力学的正确性,以及基于量子力学的新技术走在了正确的道路上。

Zeilinger获奖后接受采访时说,很抱歉,爱因斯坦先生,你的结论是错误的。这一切和爱因斯坦有什么关系呢?还要从那场旷日持久的玻爱之争讲起。

玻爱世纪之争

玻尔和爱因斯坦是好朋友,两人都是量子力学的开创者和奠基人,但他们对量子理论的诠释却各执己见,毫不退让。玻爱之争有三个回合值得一提,第一回合发生在1927年的第五届索尔维会议上。

那是一场物理学界的群英会。会议合影里的29人中,有17人获得了诺贝尔物理学奖。

玻爱之争的双方人马旗鼓相当。玻尔的哥本哈根学派在人数上占优势,但对手这边三个人物一个比一个分量重:德布罗意、薛定谔、爱因斯坦。

在正式会议阶段,玻尔和哥本哈根学派对量子理论的解释占据了压倒性优势。爱因斯坦的质疑通常在正式会议之外提出,而两派人马的辩论和交锋,则大部分发生在每天会前会后的餐桌上。

爱因斯坦错了:2022诺奖证实了“上帝掷骰子”

爱因斯坦的出发点是经典力学中的三个假设——守恒律、确定性、局域性。一般来说,在守恒律方面争议不大。但海森堡提出的不确定性原理违背了确定性的假设,这是爱因斯坦所不能忍受的。

海森堡1925年发现电子的运动实际上并无轨迹可言,因为电子的位置和动量不可能同时被确定:位置的不确定性越小,动量的不确定性就越大,反之亦然。海森堡由此提出不确定性原理。

爱因斯坦的观点可以用其名言“上帝不掷骰子”来概括,即世界的本质不是随机的,与经典力学的观点一致。那些看起来无法解释的随机现象,是因为有尚未发现的“隐变量”,一旦我们找出了这些隐藏着的变量,随机性就不复存在了。

然而,哥本哈根学派认为,微观世界的随机性是内在的、本质的,并没有什么隐藏得更深的隐变量,有的只是“波函数坍缩”到某个本征态的概率。

最后直到会议结束,两派仍然各执己见,谁也没有被对方说服。

三年后的第六届索尔维会议上,两派人马再次华山论剑。爱因斯坦提出了他著名的“光子盒”思想实验。实验装置是一个装有发光物质的密封盒子,盒子上开了一个小洞,洞口的机械钟可以精确控制挡板的开启时间。同时,盒子悬挂在一个精密的弹簧秤上,以测量其质量。

实验开始时,先测量一次盒子质量,然后在短时间内控制开启快门让一个光子逸出,当快门关闭后,再测量一次质量。设盒子所减少的质量为m,光子的能量即E=mc2。

爱因斯坦认为,在这个实验中,时间由机械钟控制测量,光子的能量可通过弹簧秤测量质量差得到,两者独立进行,互不干涉,理论上都可准确测量。以此来说明时间和能量不能同时准确测量的不确定性原理是不成立的,玻尔一派的观点不正确,量子力学不自洽。

爱因斯坦的光子盒实验,当场让玻尔哑口无言。但是只过了一个晚上,玻尔用爱因斯坦自己的广义相对论,指出了光子盒实验的缺陷。

玻尔指出:光子跑出后,挂在弹簧秤上的盒子质量变轻,即会上移,根据广义相对论,如果时钟重力方向发生位移,时钟的快慢会发生变化。这样一来,盒子里的机械钟读出的时间就会因为这个光子的跑出而发生改变。换言之,使用这种装置,如果要测定光子的能量,就不能精确控制光子逸出的时刻。

爱因斯坦被玻尔的回击惊得目瞪口呆,自此以后,便放弃了从不确定性原理这一方面来攻击量子力学的想法。“量子理论也许是自洽的,”他说,“但至少是不完备的。”

玻尔那晚也的确被爱因斯坦的“光子盒”问题扰得心神不安,日后多年他仍然一直耿耿于怀。据说,在玻尔1962年去世时,他工作室的黑板上还画着当年爱因斯坦的那个光子盒。

1933年第七届索尔维会议,爱因斯坦未能出席,因为他被纳粹赶出了欧洲,刚刚准备接受美国普林斯顿高等研究院的教授职位。没有爱因斯坦在场,德布罗意和薛定谔都不喜欢与人辩论,所以这一年的索尔维会议上,玻尔的哥本哈根学派唱了一场独角戏,一切安好。

爱因斯坦错了:2022诺奖证实了“上帝掷骰子”

终于在1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在《物理评论》(Physics Review)杂志上发表了他们共同署名的论文。爱因斯坦设想出著名的“EPR佯谬”(E、P、R分别代表论文的三位作者)。这算是他与玻尔一派论战的第三个回合。

爱因斯坦在论文中,第一次使用了一个超强武器,后来被薛定谔命名为“量子纠缠”。

最终审判:贝尔不等式

没错,量子纠缠实际上是爱因斯坦、薛定谔等人的研究成果。

爱因斯坦构想了一个思想实验,描述了一个不稳定的大粒子衰变成两个小粒子(A和B)的情况:大粒子分裂成两个同样的小粒子。小粒子获得动能,分别向相反的两个方向飞出去。如果粒子A的自旋为上,粒子B的自旋便一定是下,才能保持总体的自旋守恒,反之亦然。

根据量子力学的说法,测量前两个粒子应该处于叠加态,比如“A上B下”和“A下B上”各占一定概率的叠加态(例如,概率各为50%)。然后,我们对A进行测量,A的状态便在一瞬间坍缩了,如果A的状态坍缩为上,因为守恒的缘故,B的状态就一定为下。

但是,假如A和B之间已经相隔非常遥远,比如说几万光年,按照量子力学的理论,B也应该是上下各一半的概率,为什么它能够在A坍缩的那一瞬间,做到总是选择下呢?

难道A和B之间有某种方式及时地“互通消息”?即使假设它们能够互相感知,它们之间传递的信号需要在一瞬间跨越几万光年,这个传递速度已经超过了光速,而这种超距作用又是现有的物理知识不容许的。于是,爱因斯坦认为:这就构成了佯谬。

爱因斯坦强调不可能有超距作用,意味着他坚持经典理论的“局域性”。量子力学已经否定了确定性,这是爱因斯坦不认可的。而现在,如果连局域性都要抛弃,这可是爱因斯坦绝对不能同意的,因而在文章中他将两个粒子间瞬时的相互作用称为“幽灵般的超距作用”。

薛定谔读完EPR论文之后,他用德文写了一封信给爱因斯坦,在这封信里,他最先使用了术语Verschränkung(意思是纠缠),这是为了要形容在EPR思想实验里,两个暂时耦合的粒子,不再耦合之后彼此之间仍旧维持的关联。

EPR佯谬也得到了玻尔的回应。他认为,因为两个粒子形成了一个互相纠缠的整体,只有用波函数描述的整体才有意义,不能将它们视为相隔甚远的两个个体——既然是协调相关的一体,它们之间便无须传递什么信息。

爱因斯坦绝对接受不了玻尔的这种古怪的说法,即使在之后的二三十年中,玻尔的理论占了上风,量子理论如日中天,各个分支高速发展,给人类社会带来伟大的技术革命,爱因斯坦仍然固执地坚持他的经典信念,反对哥本哈根学派对量子理论的诠释。

1955年,爱因斯坦与世长辞,几年后玻尔也离开了人世。但他们的观点的分歧依然没有一个定论,直到1964年英国物理学家约翰·贝尔提出了著名的“贝尔不等式”。

爱因斯坦一方坚持认为量子纠缠的随机性是表面现象,背后可能藏有“隐变量”,贝尔本人也支持这个观点。他试图用实验来证明爱因斯坦的隐变量观点是正确的。

贝尔假设了一个如上图所示的实验。根据出生确定论,这些光子的偏振方向都是已经确定好了的,对一个光子的测量结果和对另一个光子的测量结果无关。但在量子力学中,对一个光子的测量结果必然影响另一个光子的测量结果。

比如做4次实验,分别把左右两边的偏振片置于(0°,0°)、(30°,0°)、(0°,-30°)、(30°,-30°)的角度。第一种情况,所有的光子都能通过偏振片。第二三种情况,是分别选择每一边的偏振片。第四种情况,是两边的偏振片都旋转。

简单来说,如果对一个光子的测量结果和对另一个光子的测量结果无关,那么两边的偏振片都旋转的结果≤每一边偏振片分别旋转的结果之和,这就是贝尔不等式。

但根据量子理论,对一个光子的测量结果必然影响另一个光子的测量结果。那么,就会出现两边的偏振片都旋转的结果>每一边偏振片分别旋转的结果之和的情况。

也就是说,如果该不等式成立,爱因斯坦获胜,如果该不等式不成立,则玻尔获胜。因此,贝尔不等式将爱因斯坦等人提出的EPR佯谬中的思想实验,转化为真实可行的物理实验。

尽管贝尔的原因是支持爱因斯坦,找出量子系统中的隐变量,但他的不等式导致的实验结果却适得其反。在之后的几十年里,所有贝尔测试的实验结果都偏向于量子力学。今年诺贝尔物理学奖三位获得者均是后来这一系列工作中的佼佼者。

1972年,物理学家John Clauser及其合作者Stuart Friedman,成为贝尔不等式实验验证的第一人。实验结果违反贝尔不等式,证明了量子力学的正确性。

1982年,巴黎第十一大学的Alain Aspect等人在贝尔的帮助下,改进了Clauser和Friedman的贝尔定理实验,成功地堵住了部分主要漏洞。这次实验结果同样违反贝尔不等式,证明了量子力学的非局域性。

1998年,Anton Zeilinger领导的量子态隐形传输实验取得了“量子信息实验领域的突破性进展”,这个实验被公认为量子信息实验领域的开山之作,同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起,被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。

爱因斯坦当年提出量子纠缠,是为了证明玻尔说的不对,没想到被越来越多的实验证明量子力学的正确性。经过几十年发展,量子力学与信息科学相结合产生的量子信息科学,已成为21世纪最前沿的科技领域,并逐步从理论走向了应用。

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