2022年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)在10月4號(hào)終于公布了，獲獎(jiǎng)?wù)叻謩e是來自法國的阿蘭·阿斯佩、美國的約翰·克勞瑟，以及奧地利的塞林格，表彰這三位物理學(xué)家通過光子糾纏實(shí)驗(yàn)，確定了貝爾不等式不成立，且開創(chuàng)了量子信息科學(xué)領(lǐng)域。
某種角度來講，獲獎(jiǎng)結(jié)果直接是在一個(gè)更大的傳播面上讓我們大眾知道愛因斯坦錯(cuò)了，為什么呢？
因?yàn)橹Z獎(jiǎng)?lì)C給了證實(shí)貝爾不等式不成立的量子糾纏實(shí)驗(yàn)，而這個(gè)實(shí)驗(yàn)直接否定了愛因斯坦關(guān)于量子世界中依舊保持定域?qū)嵲谛缘南敕ā?/p>
EPR佯謬
時(shí)間回到1935年，愛因斯坦同和兩位助手波多爾斯基、羅森發(fā)表了一篇名為《能認(rèn)為量子力學(xué)對(duì)物理實(shí)在的描述是完備的嗎？》的論文。
論文內(nèi)容我們不多講，但其核心思想被稱為的EPR佯謬，通過下面這個(gè)例子可以通俗了解一下：
想象一對(duì)糾纏的粒子，如果將二者分開數(shù)萬光年的距離，當(dāng)我們對(duì)其中一個(gè)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，比如A粒子自旋測(cè)為上，因?yàn)槎咛幱诩m纏狀態(tài)，那么遠(yuǎn)處的B粒子自然就是自旋向下。
首先哥本哈根詮釋認(rèn)為，在測(cè)量A粒子之前，它是處于既向上又向下自旋的疊加態(tài)，而測(cè)量行為一旦產(chǎn)生，波函數(shù)坍塌，就會(huì)得到唯一的測(cè)量結(jié)果，要么上要么下，而遠(yuǎn)處的B粒子也在那一瞬間從疊加態(tài)中脫離，變?yōu)榕cA粒子自旋相反的狀態(tài)。
愛因斯坦認(rèn)為這個(gè)過程中存在漏洞，首先它不認(rèn)可粒子的自旋狀態(tài)需要測(cè)量后才能得知，因?yàn)檫@樣是不符合物理實(shí)在性的，粒子的狀態(tài)應(yīng)該從一開始制備出來就是確定的，就像天上的月亮，難道當(dāng)你不看它時(shí)，它就不存在嗎？
其次，既然自旋狀態(tài)早已確定，那么不論AB相隔多遠(yuǎn)，只要其中一個(gè)粒子狀態(tài)被測(cè)得，那么另一個(gè)粒子的狀態(tài)也就自然得知了，就好像你把一對(duì)手套分開放進(jìn)兩個(gè)箱子，一個(gè)箱子留在地球，另一個(gè)箱子放在火星，現(xiàn)在另一個(gè)人只需把地球箱子打開，就能立即知曉火星箱子里裝的是左手套還是右手套了。
而哥本哈根詮釋中的，在測(cè)量前兩個(gè)粒子的狀態(tài)是不確定，都是處于疊加態(tài)，只有測(cè)量其中一個(gè)粒子的瞬間，另一個(gè)粒子才確定了自己的狀態(tài)。愛因斯坦認(rèn)為這個(gè)過程違背了定域性要求，也就是AB粒子之間存在超光速的信息聯(lián)系，愛因斯坦本人將其稱為“鬼魅般的超距作用”。
- 隱變量理論
當(dāng)然了，愛因斯坦的這種觀點(diǎn)必然遭到了哥本哈根學(xué)派的反駁，其老大玻爾自然第一個(gè)站出來，畢竟玻爾和愛因斯坦歷來在這個(gè)問題上爭(zhēng)鋒相對(duì)。
玻爾認(rèn)為量子現(xiàn)象不可區(qū)分對(duì)待，即便AB粒子相隔甚遠(yuǎn)，但它們?nèi)耘f是一個(gè)整體，測(cè)量行為導(dǎo)致波函數(shù)坍塌，自然會(huì)同時(shí)影響AB粒子，此外一個(gè)物理現(xiàn)象只有在測(cè)量后才能稱為一個(gè)現(xiàn)象，在此之前你不可能也沒法知曉其狀態(tài)。
但無論如何，愛因斯坦還是堅(jiān)定了量子力學(xué)不完備的信念，認(rèn)為量子力學(xué)之上應(yīng)該還有一個(gè)更完善的理論，稱其為隱變量理論，可以消除那些隨機(jī)不確定性，進(jìn)而重新讓“上帝不再擲骰子”。
貝爾不等式
可是口說無憑，畢竟物理學(xué)本質(zhì)是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，有什么辦法能夠證明他們的觀點(diǎn)呢？
牛人出現(xiàn)了啊，1964年英國科學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾為了支持隱變量理論，提出一個(gè)著名的數(shù)學(xué)不等式，稱為貝爾不等式，并打開了EPR佯謬實(shí)驗(yàn)可行性的大門。
這個(gè)不等式是從經(jīng)典物理角度出發(fā)，對(duì)相互分開粒子的測(cè)量所得情況做了一個(gè)限制，簡(jiǎn)單來講，如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果違背貝爾不等式，那么定域?qū)嵲谛圆还プ云疲瑦垡蛩固咕褪清e(cuò)了。
為了讓大家能通俗理解這個(gè)貝爾不等式，下面就用一種非常簡(jiǎn)單的推導(dǎo)方式展現(xiàn)一下過程：
建一個(gè)三維直角坐標(biāo)系，它有8個(gè)卦限
那么粒子的自旋情況就能包含其中，比如分裂出去的第一個(gè)粒子A自旋方向在第一卦限，那么從XYZ三軸觀測(cè)，Ax為+，Ay為+，Az為+，此時(shí)B粒子的自旋方向顯然而A相反，那么Bx、By、Bz都為-，依次類推，當(dāng)A自旋方向出在不同卦限里時(shí)，與B粒子會(huì)有接下來的七種情況，如圖
雖然不知道兩個(gè)粒子到底會(huì)是哪一種結(jié)果，但這8種情況合起來的概率是1，但在測(cè)量時(shí)，因?yàn)橛腥N方向可以選擇，因此粒子自旋狀態(tài)的關(guān)聯(lián)程度可以表示為Pxy、Pzy、Pxz，其中Pxy指的是從X方向測(cè)量A粒子，y方向測(cè)量B粒子，如果測(cè)量結(jié)果一致，那么就為正，不一致就為負(fù)，等式寫下來就是這樣Pxy=-N1-N2+N3-N4+N5-N6+N7+N8，以此類推可以寫出Pzy、Pxz。
之后我們將Pxz和Pzy相減取絕對(duì)值，回想起中學(xué)學(xué)過的絕對(duì)值不等式||a|-|b|| ≤|a|+|b|，于是可以寫出，這時(shí)我們發(fā)現(xiàn)這四項(xiàng)可以變得臃腫起來，意外發(fā)現(xiàn)前面剛好是8卦限概率之和為1，后面正好是Pxy
于是就有了這個(gè)不等式，這就是貝爾不等式
上述推導(dǎo)過程，完全是基于經(jīng)典物理出發(fā)，也就是滿足定域?qū)嵲谛运玫降慕Y(jié)果，如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠驗(yàn)證這個(gè)不等式成立，那就說明這世界上確實(shí)有隱變量理論存在，但事與愿違，原本貝爾是想借此證明量子力學(xué)的不完備性，沒誠想?yún)s意外鞏固了量子力學(xué)的正確性。
這一點(diǎn)和當(dāng)年泊松為了反對(duì)光的波動(dòng)學(xué)說，就用該學(xué)說計(jì)算出了“泊松亮斑”的故事有些雷同。
總結(jié)
因而總的來講，雖然獲獎(jiǎng)的這些實(shí)驗(yàn)和技術(shù)啊，早已實(shí)現(xiàn)多年，但本次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的頒布，既是對(duì)這些物理學(xué)家的肯定，也是在一個(gè)更高的傳播面上，讓大眾對(duì)量子力學(xué)有了一次聽聞。
首張量子糾纏照片
還有就是愛因斯坦這位相對(duì)論創(chuàng)始者及量子理論的元老，也是否定了他對(duì)量子世界的一些想法信念，目前看來，他確實(shí)錯(cuò)了。
