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贝尔不等式如何证明量子纠缠

时间:2023-02-12 理论教育 版权反馈
【摘要】:约翰·贝尔,36 岁提出「贝尔不等式」,欧核中心加速器设计工程师,爱因斯坦的脑残粉,业余爱好是研究量子力学的基础理论。万万没想到,实验结果揭晓之后,最高兴不起来的居然是贝尔本人。原来贝尔是爱因斯坦的忠实信徒,人家下班不约会而去搞不等式的目的,就是为了证明量子力学错了!





超距作用(量子)vs 局域性(爱因斯坦),人们曾经以为,这是个永远不会有答案的问题。


因为如果做实验验证,这两者根本没法区分啊!


比方说,先制备一对所谓的纠缠态粒子,然后一个运到北京,一个放在上海。我先测量到上海的 A 粒子自旋向上,然后打电话去问北京的同事:哥们,你那边测下 B 是什么态?


100% 是自旋向下!


爱因斯坦和量子理论都预言,B 的自旋一定和 A 相反。


也就是说,仅凭测量是不可能区分两种说法谁对谁错的,这就好比两个人都赌同一个球队赢,如何分胜负呢?但是不测量,又怎么可能知道它在测量之前是什么?


显然,这个问题无解。


30 年过去,爱因斯坦、玻尔、薛定谔等一代宗师已经成为逝去的传奇,然而还是没有人认真思考过这个问题。


也许这就是为什么,做出这个近代物理学最重要的大发现的人,不是某位著名的教授,而是一位当时还默默无闻的工程师,也难怪当他投稿之后,文章居然被杂志编辑「不小心」弄丢了,拖了一两年才发表。


约翰·贝尔,36 岁提出「贝尔不等式」,欧核中心(CERN)加速器设计工程师,爱因斯坦的脑残粉,业余爱好是研究量子力学的基础理论。 


(约翰·贝尔——爱因斯坦的粉丝)


我一直觉得,贝尔不像个正统科学家,更像个「物理学黑客」。虽然和计算机黑客相比,他破解的是原子而非比特;但是,论及思维之独特、技巧之高超、发现漏洞之敏锐,则是有过之而无不及。


众所周知,粒子 A 的自旋一定和 B 相反;但贝尔发现,所有人都忽略了一件事:自旋在三维空间是有 3 个分量的。





A 在 X 轴的自旋分量(Ax)如果向上,B 在 X 轴的自旋(Bx)一定向下,但是 B 在 Y 轴和 Z 轴上的自旋(By、Bz)呢?


如果爱因斯坦的局域性理论是对的,By、Bz 应该和 Ax 一毛钱关系没有,但是用量子力学算出来的结果,却有着微妙的区别:在某些情况下,By、Bz 和 Ax 之间竟存在着微弱的关联!


其他科学家们看到「贝尔不等式」先是嗤之以鼻,接着目瞪口呆,最后是深深的悔恨。这个深藏 30 年的宇宙级 bug,就这样被贝尔这位工程师挖了出来。


贝尔不等式的诞生,宣告了量子局域性之争,从哲学思辨变为实验可证伪的科学理论。


20 年后(1982),法国人阿兹派克特(Aspect)第一个成功验证了贝尔不等式,结论:量子力学获胜,幽灵般的超距作用,是真的!


(阿兹派克特验证贝尔不等式的实验室)


万万没想到,实验结果揭晓之后,最高兴不起来的居然是贝尔本人。原来贝尔是爱因斯坦的忠实信徒,人家下班不约会而去搞不等式的目的,就是为了证明量子力学错了!


之后,贝尔花了大半辈子的时间,试图找出实验的漏洞,直到去世之前还在思考如何修正局域性理论。


当然,这一切并没有什么用。


从阿兹派克特实验至今 30 多年,人们在光子、原子、离子、超导比特、固态量子比特等许多系统中都验证了贝尔不等式,所有的实验无一例外,全部支持量子理论。


如今,除了层出不穷的民科,已经没有人怀疑量子世界的奇异和真实。但很多人还是忍不住会想,贝尔不等式什么的还是太抽象了,能不能亲眼见证量子纠缠的魔力呢?

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