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爱因斯坦与玻尔的世纪争论,从遥远星光那里得到了最严格的检验

2018年06月25日 天文物理 ⁄ 共 2761字 ⁄ 字号 暂无评论

为了堵上贝尔实验的漏洞,科学家用上了来自遥远恒星的光。


爱因斯坦与玻尔的世纪争论,从遥远星光那里得到了最严格的检验 

 

众所周知,爱因斯坦强烈反对量子力学中“幽灵般的超距作用”,他认为“上帝不掷骰子”,表面的“超距作用”一定是由我们尚未了解的更深层次的因素所导致。在过去的50年来,科学家一直在努力解决这一争论。

 

量子力学认为,两个处于纠缠态的粒子可以保持一种特殊的连接状态,两个粒子的状态原本都未知,但只要测量其中一个粒子,就能立即知道另外一个粒子的状态,哪怕它们之间相隔遥远的距离。这种现象令包括爱因斯坦在内的一些物理学家感到惶恐不安,他们认为量子力学是不完备的,测量结果一定受到了某种“隐变量”的预先决定,只是我们没能探测到它。为了检验量子现象究竟是由“隐变量”事先决定,还是在测量时才坍缩成最终的结果并通过“超距作用”即时传播,爱因斯坦和爱尔兰物理学家贝尔等人提出了著名的“贝尔不等式”。

 

尽管事到如今,已经很少有人质疑量子力学的正确性,它在过去的100年间拓展了我们的认知极限,也为我们带来了巨大的技术进步,但追求严谨的科学家仍然在努力将诸如爱因斯坦隐变量理论之类的其他理论逼至绝境,严格证明量子“超距作用”的存在性。

 

最近,维也纳大学安东·蔡林格(Anton Zeilinger)率领的团队与中国、德国、美国的合作者一同设计出了一个新的检验方法,结果即将发表于2017年2月7日的《物理评论快报》(Physical Review Letters),研究者已经在论文预印本网站arXiv上发布了论文全文:https://arxiv.org/abs/1611.06985。他们使用遥远恒星在600年前发出的光来选择对量子纠缠粒子对进行什么样的测量,从而极为严格地限制了隐变量理论。

 

美国标准与技术研究院(NIST)的量子物理学家Krister Shalm表示:“这是个非常优美的实验。”

 

封锁所有漏洞

 

贝尔不等式由爱尔兰物理学家约翰·贝尔(John Bell)于20世纪60年代提出,可以用来检验量子世界的奇异特性究竟是由局域隐变量决定,还是由非局域性所导致。它要求科学家对不同的纠缠粒子对进行独立的测量,并指出,如果在统计上,粒子对中粒子间的相关性超过一个阈值,就不能用隐变量来解释了,只能认为是对一个粒子的测量通过神秘的量子过程影响了另一个粒子的性质。

 

尽管科学家已经进行了多次贝尔实验,都证明了量子力学的正确性,但这些实验都包含了一些可能不充分的假设,从而为非量子力学的其他解释留下了挣扎的余地。为了更严格地否定其他解释的存在,物理学家一直在努力填补这些“漏洞”。

 

2015年,三个独立的团队都实现了同时堵上两个重要漏洞,表明量子纠缠并不是幻象,也不是观察者只探测了特定光子而人为得出的结论,而是真实存在的。(见《量子力学再次击败爱因斯坦:“幽灵超距作用”通过严格检验》)

 

将自由选择权交给宇宙

 

但他们的实验仍然存在第三个漏洞,这个漏洞更加细微,而且永远无法填补完全——麻省理工学院的天文学家、最新论文的作者之一Andrew Friedman说。贝尔实验假设实验者可以自由选择测量光子对的哪些信息,但会不会有某些未知因素同时影响了粒子和测量选择呢?(可能是直接影响对测量的选择,也可能是通过限制选择范围来间接影响测量选择)这样就产生了粒子之间的“相干性”,造成了他们处在纠缠中的错觉。

 

为了填补这个漏洞,此前的研究者使用随机数产生器来选择实验设置,并将随机数产生器放置在与粒子对相隔长达144千米的地方,因此,如果未知因素要同时影响两者,就必须在随机数产生器产生随机数之前(随机数产生后其信息传送到144千米之外的粒子对处需要几微秒时间)就预先产生影响,也就是实验开始几微秒之前。实验结果探测到了量子纠缠,因此如果存在隐变量,实验就把它作用的时间限制到了实验开始几微秒,或者更远之前。不过,这毕竟只限制了几微秒的时间。因此,最新的研究采取了另外一种方法,把隐变量作用的时间限制大大提前:不再使用随机数产生器,而是采用来自遥远恒星的光,让宇宙来做这个选择。

 

实验团队的领导者是维也纳大学的物理学家安东·蔡林格,他是国际量子纠缠研究领域的领军人物,也是潘建伟的博士导师。他们通过观察来自遥远恒星的光是红色还是蓝色来决定测量纠缠光子的何种特性,由于光的颜色在恒星发出光的时候就已经确定了,不会再传播中发生改变,这就意味着如果隐变量想要影响它与纠缠光子对的相干性,就得在恒星发出这束光之前,也就是至少600年前就预先做好决定(他们观测的恒星中离我们最近的也在575光年之外)。实验证明光子的确是互相纠缠,并产生了“幽灵般的超距作用”,实验参与者Friedman表示,他们希望通过观察更遥远的类星体将该时间点最终推到几十亿年之前。

 

不过,要警惕“黑客”

 

荷兰代尔夫特理工大学的量子物理学家Ronald Hanson表示,这个实验在技术上非常棒,但“自由选择漏洞”和2015年被填补上的两个漏洞不一样,它永远不可能被完全填平。蔡林格的实验把隐变量的作用时间推到了很久以前,但这又引入了新的假设:只有在恒星发出的光进入望远镜之前没有“黑客”动过的情况下,实验结果才成立。

 

不过,Shalm认为,尽管这个漏洞在本质上就不可能被完全填补起来,但蔡林格的这一实验仍然很有价值,它进一步支持了量子力学的不可动摇性。这类实验最终可能证明,如果类似爱因斯坦隐变量理论这样的理论成立,我们整个宇宙的命运在大爆炸的时刻就已经全部事先决定好了——这种哲学观念想必大部分物理学家都不会接受。因此,这样的实验是有意义的。

 

此外,Friedman还表示,这类实验还有应用价值。如果量子力学背后的解释果真是隐变量这类理论,基于量子理论的加密等技术必将受到重创。Shalm也表示,进一步填补漏洞,减少贝尔实验中的假设数目和强度,也就是在保护我们免遭黑客攻击。他在美国标准与技术研究院所带领的研究团队就正在探索贝尔实验在量子加密中的应用。

 

贝尔实验的改进方式多种多样,除了利用来自宇宙的星光之外,去年11月,来自全球的研究团队还设计并参与了“大贝尔实验”(the Big Bell Test,详见《爱因斯坦和玻尔的世纪争论,由你来验证!》),召集了10万名自愿者通过玩游戏的方式产生了随机的0和1序列,帮助物理学家改进了测量选择方式。

 

大贝尔实验的组织者之一,西班牙光子科学研究所的物理学家Morgan Mitchell说,初步分析表明,至少大多数(很可能是全部)的实验都支持了量子力学,而非隐变量理论。他说:“抱歉了,爱因斯坦。”

 

撰文 Elizabeth Gibney

编译 丁家琦

 

原文链接:

http://www.nature.com/news/cosmic-test-backs-quantum-spookiness-1.21401


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