三位諾獎得主，將物理學推向極限，證明了宇宙比我們想象的更奇特
三位諾獎得主，將物理學推向極限，證明了宇宙比我們想象的更奇特
諾貝爾物理獎通常授予那些揭示自然奧秘的科學家，那些使宇宙變得更易於理解的發現者。但2022年的諾貝爾獎頒給了三位物理學家，他們揭示了宇宙比我們想象的更奇特。22年的物理諾貝爾獎得主是約翰·克勞瑟（John Clauser）、阿蘭·阿斯佩克（Alain Aspect）和安東·塞林格（Anton Zeilinger），他們共同完成了一系列巧妙的實驗，證明了量子力學最奇特的預測實際上是正確的。這個預測是愛因斯坦拒絕接受的——兩個量子系統可以糾纏在一起，這樣它們可以在任何距離間瞬間相互影響。
愛因斯坦稱之爲“鬼魅般的超距作用”，因爲這似乎違反了他的相對論，相對論告訴我們，沒有任何因果關係可以比光速更快地傳播。克勞瑟和阿斯佩克完成了罕見的壯舉——他們證明了愛因斯坦是錯的，而塞林格則極大地推進了我們對量子糾纏現象的理解和實際應用。
今天我想向大家講述一下去年諾貝爾獎所贊同的一系列傑出實驗。我們從一個簡單的思想實驗開始。你有兩個球——一個黑色，一個白色。你閉上眼睛，然後把兩個球放進兩個相同的盒子裡。你把第一個盒子裝在火箭上，送到月球，而把第二個盒子留在地球上。
當盒子沒有打開的時候，月球上的那個球有50％的概率是黑色或白色。當你打開盒子，你瞬間就知道了月球上那個球的顏色。
信息傳播比光速快了嗎？當然沒有——球的顏色信息一直伴隨着球，你只是知道了哪個是哪個。
現在想象這些是糾纏着的量子球。
根據量子力學，除非打開盒子，我們不僅不知道哪個球是什麼顏色，球的顏色本質上也是未定義的。每個球在測量之前都處於可能是黑色也可能是白色的疊加態。打開盒子（的動作）會導致觀察到的球必須選擇一種顏色狀態，從而迫使月球上的球選擇相反的顏色。
現在你確實似乎有一種比光速更快的效應，當你進行觀察時，月球上的球從疊加態切換到確定的狀態。
這些“量子球”可以是從亞原子到分子尺度的任何粒子，而糾纏性質可以是自旋、動量或任何其他量子性質。
但是我們爲什麼要接受這種離奇的解釋呢？如果球的顏色在實驗開始時就確定而不是在打開盒子時確定，實驗結果有什麼實質性區別嗎？爲什麼要提出這種糾纏和疊加的概念呢？那是因爲量子力學的標準形式就是如此。
量子系統由一個叫做波函數的數學對象描述，
它根據薛定諤方程演變，
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兩個糾纏物體的聯合波函數只包含關於這些物體之間相關性的信息，而不是關於它們的具體值。它們在被觀察到並使波函數“坍縮”時才獲得具體的值。爲了讓量子球一直知道它們自己的顏色，它們的波函數中需要有額外的信息。
有幾種不同的量子力學解釋允許這種隱藏的信息，它們統稱爲隱藏變量理論（hidden variable theories）。愛因斯坦認爲這種隱藏信息必須存在，而尼爾斯·玻爾等人則堅持認爲波函數是量子系統的完整描述。
在幾乎所有科學爭論中，物理學家都站在愛因斯坦一邊。但在這個問題上不是這樣，量子力學實在太成功了。
約翰·斯圖爾特·貝爾（John Stuart Bell）是另一位支持隱藏變量的學者。雖然他不一定相信隱藏變量的存在，但他希望對哥本哈根解釋進行適當的測試，以驗證其有效性。他還意識到，可以揭示隱藏信息的存在，而不必實際測量這些信息，甚至不用測試特定的隱藏變量理論。
簡而言之，1964年貝爾提出了他的貝爾定理，該定理表明，如果粒子本身攜帶有關它們內部狀態的信息，那麼糾纏粒子的測量性質之間應該存在特定的統計關係；而如果這些屬性確實在測量時才確定，那麼這種關係就會有所不同。特別地，所謂的貝爾不等式在存在粒子中的隱藏變量時是成立的，而在其他情況下是被打破的。
終於，我們有了一個可以用來檢查隱藏變量的實際測試。
然而，直到1969年才進行了第一次貝爾測試，而這次測試是由2022年的諾貝爾獎得主之一約翰·克勞瑟完成的。貝爾測試實際上很難進行。它們需要產生糾纏態，這些態必須在不破壞粒子間極爲微妙的關聯的情況下進行操作和測量。而且，進行貝爾測試意味着質疑現狀，因此很難獲得所需的大量支持。克勞瑟談到了他向理查德·費曼提出實驗想法的時候，費曼立即將他趕出了辦公室。顯然，費曼認爲這是毫無意義的，因爲標準量子力學顯然是正確的。
斯圖爾特·傑伊·弗裡德曼
克勞瑟和他的學生，斯圖爾特·傑伊·弗裡德曼（Stewart Jay Freedman）沒有被打擊。他們想出了一個絕妙的實驗並決定嘗試。實驗是這樣進行的。他們將一束鈣原子射入弧燈的強光中。
這種光激發了鈣原子中的電子到更高的能量水平，然後它們會再次降低，丟失的能量由光子帶走。其中一個可能的電子躍遷是在兩個具有零量子自旋的狀態之間，並且還導致了兩個光子的產生。
自旋是角動量的量子版本。因爲原子在這次躍遷中的自旋沒有改變，爲了保持角動量守恆，這對光子需要具有總自旋爲零，這意味着它們具有相反的圓偏振。
標準量子力學認爲，這些偏振在測量之前是未定義的，當它們被測量時，它們總是彼此相反。
另一方面，隱藏變量理論允許在光子產生時設定偏振。
通過將兩個光子通過偏振器進行測量，克勞瑟和弗裡德曼可以進行貝爾測試。在他們的實驗中，貝爾不等式被令人信服地打破，這意味着量子力學正如預期的那樣運作，暗示不存在隱藏變量。但是，這還沒有完全解決。
約翰·貝爾本人指出，即使貝爾測試結果相反，隱藏變量仍然可能存在。量子測量的結果取決於你如何進行測量，在這個實驗中，偏振器的方向決定了實驗對哪些偏振敏感。
貝爾定理假設測量選擇是完全自由且獨立於粒子生成過程的。但在克勞瑟的實驗中，整個實驗過程中，偏振器的位置都是固定的。當糾纏光子產生時，它們的方向已經確定了。
那麼，如果這個方向在光子產生時對它們的偏振方向有一定的影響呢？那麼光子可能會一直攜帶關於最終測量方向的隱藏信息，並且在某種程度上看起來像是標準量子力學，即使它們具有真正的隱藏變量。要關閉這個漏洞，有必要在光子產生後以某種方式設定測量方向。這聽起來非常困難，因爲光子移動得非常快。但是，當你是一個傑出的實驗家時，“非常困難”是你的日常。所以我們遇到了第二位諾貝爾物理學獎得主，阿蘭·阿斯佩克。
阿斯佩克的設置與克勞瑟的非常相似，用激光而不是弧燈激發鈣原子束。
但主要區別在於偏振器。爲了改變偏振器的測量方向，你必須旋轉它，但要比光子在光學臺上移動還要快就有點困難了。阿斯佩克找到了一種在不移動偏振器的情況下隨機測量方向的方法。訣竅是使用一種換能器，一塊石英，它根據石英是否振動以不同的方式彎曲光線的路徑，而振動可以通過電流打開和關閉控制。
這意味着糾纏光子可以根據一個電氣開關被髮送到不同的偏振器——一個可以在光子產生與到達換能器之間的短暫時間內快速隨機打開和關閉的開關。所有這些意味着光子在產生時無法知道它們將如何被測量。
在阿斯佩克的實驗中，貝爾不等式也被違反，這給隱藏變量理論帶來了又一次打擊。那麼，阿斯佩克特是否解決了最後的漏洞？並沒有。
在沒有量子糾纏的情況下，有兩種方法可以違反貝爾不等式。首先，我已經提到過：如果測量選擇與糾纏粒子的產生不是獨立的怎麼辦？阿斯佩克的實驗似乎通過在粒子產生之後進行選擇來消除了這種可能性。但如果隨機數生成器並不是真正的隨機呢？畢竟，信號可能已經從某個共同的影響傳遞到鈣原子和隨機數生成器，從而使它們共謀違反貝爾不等式。這種想法被稱爲超決定論（superdeterminism）——基本上是說粒子不僅與彼此相關，而且與隨機數生成器或選擇測量方向的物理學家相關，所以最終宇宙別無選擇，只能始終隱藏隱藏變量的存在。
根據超決定論，所以你可以自己決定這是否是一個合理的想法。但約翰·貝爾當然不認爲這是可能的。但即使沒有超決定論，還有另一個漏洞。貝爾定理可用於排除局部隱藏變量的存在。它可以排除關於糾纏粒子狀態的秘密信息存在於粒子本身的可能性——這就是這裡的“局部”的意思。但仍然可能存在於糾纏粒子的全局波函數中的隱藏變量。克勞瑟和阿斯佩克特的實驗排除了局部隱藏變量，但這可能意味着他們排除了局部性而不是隱藏信息。任何對局部性的違反仍意味着某種影響比光速快——愛因斯坦所憎恨的那種幽靈現象。
第三位得主，安東·賽林格做了什麼？克勞瑟和阿斯佩克的工作都是關於測試量子力學的基本原理。但他們的努力也導致了非常實際的結果。他們提高了我們創建和操縱糾纏量子態的能力。而賽林格則充分利用了這些成果。
他可能最爲人所知的是展示量子隱形傳態。這是一種量子態通過與兩個粒子糾纏的中間粒子傳遞的現象。現在要了解的重要一點是，量子隱形傳態以及相應的傳遞量子信息的能力對量子計算機至關重要。賽林格負責在操縱糾纏方面的許多進展，並將這些應用於量子密碼學和量子計算機的開發。
這是一個罕見的“時空”，其中愛因斯坦和費曼都錯了。愛因斯坦錯在，否定量子世界的神秘。而費曼認爲克勞瑟永遠不會推翻標準量子力學。只有當我們試圖將科學理論推向極限時，科學纔會向前發展。無論它們是否正確，我們都會學到一些東西，也許我們會發現一些沒人預料到的有用技術。在這種情況下，我們對量子糾纏的更好理解使我們非常接近量子計算和量子密碼學的時代。這一切都是因爲一些科學家願意挑戰現狀，尋求時空的隱藏秘密。
