“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>