“推翻”愛因斯坦理論，2022諾貝爾物理學(xué)獎大揭秘！

一直以來，愛因斯坦都不相信量子力學(xué)的理論，他總認為試驗中隱含了某些不為我們所知的變量。但現(xiàn)如今，在三位物理學(xué)家的多年努力下，終于確認了量子力學(xué)的確定性。

當(dāng)?shù)貢r間10月4日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2022年諾貝爾物理學(xué)獎授予法國物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國理論和實驗物理學(xué)家約翰·克勞澤（John?Clauser）以及奧地利物理學(xué)家安東·塞林格（Anton?Zeilinger），以表彰他們在“糾纏光子實驗、驗證違反貝爾不等式、開創(chuàng)量子信息科學(xué)”研究方面所作出的貢獻。

▲2022年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者

量子糾纏與貝爾不等式

我們都知道，愛因斯坦是20世紀最偉大的物理學(xué)家。他憑借一己之力提出了相對論，同時也是量子論早期的締造者之一。由于量子力學(xué)和相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱理論，因此愛因斯坦的偉大自然不必多說。

但是，偉大的愛因斯坦也會犯錯，其中最典型的就是他不接受量子力學(xué)，那句著名的“上帝不擲骰子”就是出自愛因斯坦。

1935年，愛因斯坦與他的手下共同寫了一篇論文，以思想實驗的方式對量子力學(xué)的合理性提出了質(zhì)疑（即著名的EPR佯謬）。愛因斯坦從相對論視角出發(fā)，提出了一個局域?qū)嵲谡撚^點：

? 物質(zhì)是獨立于觀測者而客觀存在的（實在論）；

? 兩粒子間任何的關(guān)聯(lián)都不可以超過光速（局域論）。

當(dāng)時的物理學(xué)界主要分為兩大派：一派是以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派，另一派就是愛因斯坦和薛定諤為首的反對派。

愛因斯坦認為，一定有一個隱藏在量子力學(xué)背后的物理規(guī)律決定了粒子們的行為，這個規(guī)律應(yīng)該是符合局域?qū)嵲谡摰?。而量子力學(xué)不符合局域?qū)嵲谡?，所以是不完備的?/span>

而玻爾則認為，量子力學(xué)是正確的，在它背后并沒有那個所謂的“隱變量理論”，量子力學(xué)的概率性本身就是對微觀世界完整的描述，即上帝是擲骰子的。

于是，雙方在理論上的爭論持續(xù)了多年，而這個問題也被歸為哲學(xué)問題。直到1964年，物理學(xué)家約翰·貝爾（John Bell）提出“貝爾不等式”，才將上述扯不清的哲學(xué)問題變成了實驗物理的問題，即世界是非定域性的，不可以用局域變量來確定。

為量子糾纏正名

為了證明量子力學(xué)違反了貝爾不等式，上世紀70年代，約翰·克勞澤首先完成了檢驗貝爾不等式的實驗。

但他的實驗存在一些漏洞，于是阿蘭·阿斯佩又用鈣原子激發(fā)產(chǎn)生的兩個可見光子，完成了更為精確和幾乎無漏洞的貝爾不等式實驗驗證。

隨后，通過精致的工具和一系列實驗，安東·塞林格也完成了更多糾纏粒子的無漏洞貝爾不等式實驗驗證。

▲約翰·克勞澤用一種特殊的光照射鈣原子之后，可以發(fā)射糾纏光子。他在兩側(cè)用濾光片測量光子的偏振。經(jīng)過一系列測量，證明它們違反了貝爾不等式。

▲阿蘭·阿斯佩開發(fā)了這個實驗，通過一種新的激發(fā)原子的方法，使它們以更高的速率發(fā)射糾纏光子，并且可以在不同的設(shè)置之間切換，這樣系統(tǒng)就不會包含任何可能影響結(jié)果的預(yù)先信息。

▲安東·塞林格對貝爾不等式進行了更多測試，他通過將激光照射在特殊晶體上來制備糾纏光子對，并使用隨機數(shù)切換測量設(shè)置。這項實驗使用來自遙遠星系的信號來控制濾光片，并確保信號不會相互影響。

然而，所有實驗結(jié)果均表明，量子糾纏是真實存在的！

他們通過精巧的實驗設(shè)計，不僅證明了量子力學(xué)違反了貝爾不等式，同時也說明了愛因斯坦對“量子糾纏”提出的觀點是錯誤的，更為今天的量子計算、量子通信等科技奠定了基礎(chǔ)。

▲量子糾纏示意圖

量子糾纏顛覆傳統(tǒng)世界

所謂“量子糾纏”，簡單來說它就好比是量子世界中存在一種類似“心靈感應(yīng)”的現(xiàn)象，這一概念來源于愛因斯坦等人在1935年提出的EPR悖論。這個悖論顯示，在量子力學(xué)中，兩個曾經(jīng)相互作用過的粒子，無論相隔多遠，其量子狀態(tài)仍有能力“糾纏”在一起，共享同一個整體的物理狀態(tài)。

現(xiàn)如今，量子力學(xué)已經(jīng)開始得到應(yīng)用，并產(chǎn)生了很廣闊的研究領(lǐng)域，其包括量子計算機、量子網(wǎng)絡(luò)和更為安全的量子加密通信。如果從應(yīng)用層面上說，這些關(guān)于量子糾纏的研究奠定了量子信息學(xué)科的基礎(chǔ)，那么在理論層面上，它們則加深了對量子理論基礎(chǔ)的深層次理解，打開了多世界理論、退相干理論等新興理論的研究空間。

另外，從實踐的角度來看，量子糾纏所代表的其實是一個巨大資源。科學(xué)家們對量子糾纏漏洞的不滿，正源于每一階段可應(yīng)用范圍的不夠。而此次獲得諾貝爾物理學(xué)獎的三位物理學(xué)家長期對量子力學(xué)的研究工作，最終為量子糾纏正了名，這一成果對現(xiàn)代科技的意義是不容小覷的。

正如諾貝爾物理學(xué)委員會主席安德斯·伊爾貝克所言：“越來越清楚的是，一種新型的量子技術(shù)正在出現(xiàn)。我們可以看到，獲獎?wù)咴诩m纏態(tài)方面的工作非常重要，甚至超出了關(guān)于量子力學(xué)解釋的基本問題?！?/span>