學(xué)術(shù)界的“神仙打架”？決戰(zhàn)“量子之巔”

量子科技在“十五五”規(guī)劃建議里排在未來產(chǎn)業(yè)之首，但你可能不知道量子的提出和基礎(chǔ)研究其實(shí)已有百年之久。愛因斯坦和玻爾的爭論，就要從光量子這種令人費(fèi)解的“雙重人格”說起。

“上帝不會(huì)擲骰子。”當(dāng)愛因斯坦在索爾維會(huì)議上拋出這句話時(shí)，他反對的不是上帝，而是量子世界的“隨機(jī)與糾纏”。一邊是玻爾、海森堡力挺的哥本哈根學(xué)派，一邊是堅(jiān)持“定域?qū)嵲谡摗钡膼垡蛩固龟嚑I——這場關(guān)于世界本質(zhì)的爭論，持續(xù)了近百年。這一期，我們走進(jìn)這場被稱為“量子之巔”的思想決戰(zhàn)。

決戰(zhàn)“量子之巔”

1927年舉辦的第五屆索爾維會(huì)議，集結(jié)了一系列物理學(xué)泰斗級的人物。哥本哈根學(xué)派的丹麥物理學(xué)家玻爾與德國物理學(xué)家海森堡，和以愛因斯坦（美國和瑞士雙國籍的猶太裔物理學(xué)家）、奧地利物理學(xué)家薛定諤、法國物理學(xué)家德布羅意等人為首的思想陣營，在會(huì)議上進(jìn)行了量子力學(xué)領(lǐng)域思想上的激烈碰撞。哥本哈根學(xué)派闡述了他們對于量子力學(xué)理論的詮釋，雙方各執(zhí)己見，辯駁對方的理論。

愛因斯坦反駁哥本哈根學(xué)派的不確定性原理時(shí)稱：“上帝不會(huì)擲骰子！”玻爾當(dāng)即反駁：“愛因斯坦，不要告訴上帝怎么做事。”風(fēng)云變幻，龍虎交濟(jì)。討論很快就變成了愛因斯坦和玻爾之間的對決。愛因斯坦是非常崇尚宇宙精妙的人，他認(rèn)為量子力學(xué)的完全隨機(jī)和糾纏非常荒謬，直至離世也難以接受哥本哈根學(xué)派對于量子的一系列理論。

哥本哈根學(xué)派的理論

疊加態(tài)和糾纏態(tài)是量子力學(xué)哥本哈根學(xué)派詮釋理論中最基本的概念。用阿斯佩舉的一個(gè)例子來說：對于一對雙胞胎，他們的眼睛可能為藍(lán)色或者黑色，但具體不知，在狀態(tài)上是不確定的，但我們知道了他們眼睛顏色一致，那么當(dāng)發(fā)現(xiàn)一人眼睛為藍(lán)色時(shí)，另一人無論在哪里，我們都可以瞬時(shí)知道他的眼睛顏色也為藍(lán)色。

量子力學(xué)認(rèn)為，我們在觀察眼睛之前，顏色是不確定的，它處在黑色和藍(lán)色的疊加態(tài)；在我們觀察后，眼睛的顏色也就解除了疊加態(tài)，我們確定了一人眼睛顏色是藍(lán)色，另一人也就“坍塌”成了藍(lán)色。

從實(shí)在論與定域論到隱變量理論

而愛因斯坦的核心觀點(diǎn)則認(rèn)為：我們不知道雙胞胎眼睛的顏色，并不代表它處在疊加態(tài)，它可能本身就為黑色或者藍(lán)色，我們不知道眼睛的顏色是什么，僅僅是因?yàn)槲覀儧]有進(jìn)行觀察，這便是實(shí)在論。

此外，如果測量發(fā)生在兩個(gè)粒子相距特別遠(yuǎn)的情況下，那它們的相互作用是超光速的(這種說法并不嚴(yán)謹(jǐn)，理論上并不存在速度，是同時(shí)發(fā)生的)，愛因斯坦認(rèn)為這違背了定域論，也因此將它稱為“遙遠(yuǎn)的鬼魂作用”。

簡單來說就是一個(gè)特定物體，只能被它周圍的力量影響。我們知道光子等粒子和各種場可以充當(dāng)物質(zhì)相互作用的介質(zhì)，這些介質(zhì)的上限是光速，所以對于超光速的量子糾纏來說，是沒有任何物質(zhì)能充當(dāng)其介質(zhì)的。

兩點(diǎn)綜合也被叫作定域?qū)嵲谡摚瑦垡蛩固拐J(rèn)為，量子糾纏之所以看上去違背定域?qū)嵲谡摚褪且驗(yàn)檫€存在著我們尚未知道的作用機(jī)制。他將其稱為隱藏的變量，也就是隱變量理論，并且指出，由于量子力學(xué)沒有發(fā)現(xiàn)這種隱變量，所以量子力學(xué)尚不完備。

愛因斯坦根據(jù)定域論與實(shí)在論，聯(lián)合另外兩名科學(xué)家發(fā)表了論文——《量子力學(xué)是完備的嗎？》。結(jié)合3人名字的姓，這篇論文也簡稱為EPR佯謬。但這在當(dāng)時(shí)那個(gè)時(shí)代卻沒有產(chǎn)生太大的反響。

如何證明你在觀察一個(gè)物體之前它是什么？這很難實(shí)現(xiàn)，直到1964年，一位名為貝爾的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：“坍塌”出現(xiàn)的機(jī)率還真不太一樣。

量子力學(xué)的“終極絕判”——貝爾不等式

理論

愛爾蘭物理學(xué)家貝爾是一位特別有思想的科學(xué)家，他對量子力學(xué)十分感興趣，但一直對其根基抱有懷疑。在上個(gè)世紀(jì)，隨著原子核物理的發(fā)展，哥本哈根學(xué)派在量子領(lǐng)域基本已成為正統(tǒng)理論，得到了社會(huì)廣泛承認(rèn)。而貝爾卻贊同愛因斯坦的觀點(diǎn)，認(rèn)為定域?qū)嵲谡撌怯幸欢ǖ览淼模虼怂恢笨嗫鄬ひ捵C明隱變量存在的辦法。

在考慮了定域?qū)嵲谡摵螅悹杽?chuàng)立了“貝爾不等式”。簡單來說，由于不等式的條件完全從“隱變量機(jī)制”角度出發(fā)，在定域論和實(shí)在論的雙重假設(shè)下，對于兩個(gè)分隔的粒子同時(shí)被測量時(shí)其結(jié)果的可能關(guān)聯(lián)程度建立了一個(gè)嚴(yán)格的限制。如果不等式成立，則說明愛因斯坦的隱變量理論是正確的,而按照量子力學(xué)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的概率應(yīng)該與此不同，結(jié)果應(yīng)超過貝爾不等式的極限。至此，貝爾實(shí)現(xiàn)了將一個(gè)哲學(xué)問題轉(zhuǎn)換為可用實(shí)驗(yàn)證明的實(shí)踐問題。

實(shí)驗(yàn)

貝爾不等式的詳細(xì)原理十分復(fù)雜，簡單來說就是實(shí)驗(yàn)儀器制造出糾纏光子對，它們的自旋方向一定相反，系統(tǒng)的總自旋一定為0。我們知道依據(jù)馬呂斯定律（強(qiáng)度為I〔0〕的線偏振光，透過檢偏片后，透射光的強(qiáng)度〔不考慮吸收〕為I=I〔0〕cos2θ。〔θ是入射線偏振光的光振動(dòng)方向和偏振片偏振化方向之間的夾角〕），光通過偏振片與其夾角的大小是有關(guān)系的

現(xiàn)在有3種偏振片，其3種角度可以分別對應(yīng)：直接通過、不通過、有概率通過，那么隨機(jī)選擇一種偏振片，無非是通過與不通過兩種情況，通過排列組合一共有8種情況。現(xiàn)在兩端分別隨機(jī)放置偏振片，重復(fù)大量實(shí)驗(yàn)滿足大數(shù)定理（在隨機(jī)事件的大量重復(fù)出現(xiàn)中，往往呈現(xiàn)幾乎必然的規(guī)律），計(jì)算最后兩端測量結(jié)果一致的概率是否滿足不等式。由于不等式是基于經(jīng)典物理學(xué)和線性隱變量理論、定域?qū)嵲谡摮霭l(fā)的，所以如果實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驖M足不等式，就說明存在隱變量。

而在2022年3位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者的實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果都顯著不滿足不等式，貝爾不等式不滿足！因此反推出隱變量理論是錯(cuò)誤的。

毫無疑問，量子世界是一個(gè)神秘的，是一個(gè)人們還需探尋的領(lǐng)域。2022年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者證明了一個(gè)“答案”是不正確的，但還仍有千千萬萬個(gè)“答案”在等待著我們?nèi)ヌ剿鳌?strong>歡迎在留言區(qū)說出你的看法，一起繼續(xù)這場跨越百年的量子討論。

責(zé)任編輯｜趙青云

運(yùn)營編輯｜趙青云 李佳桐（實(shí)習(xí)）

質(zhì)量審核 | 王維嘉 李雅欣

圖文來源 | 《知識就是力量》雜志《量子故事匯（下）》，撰文/劉玉柱（南京信息工程大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師）、蔡玉垚（南京信息工程大學(xué)），原文有刪改，原創(chuàng)作品轉(zhuǎn)載請注明來源。

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