“推翻”愛(ài)因斯坦理論，2022諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)大揭秘！

一直以來(lái)，愛(ài)因斯坦都不相信量子力學(xué)的理論，他總認(rèn)為試驗(yàn)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(rèn)了量子力學(xué)的確定性。

當(dāng)?shù)貢r(shí)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(jiǎng)授予法國(guó)物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國(guó)理論和實(shí)驗(yàn)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?cè)凇?strong>糾纏光子實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證違反貝爾不等式、開(kāi)創(chuàng)量子信息科學(xué)”研究方面所作出的貢獻(xiàn)。

▲2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者

量子糾纏與貝爾不等式

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

但是，偉大的愛(ài)因斯坦也會(huì)犯錯(cuò)，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(ài)因斯坦。

1935年，愛(ài)因斯坦與他的手下共同寫(xiě)了一篇論文，以思想實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)量子力學(xué)的合理性提出了質(zhì)疑（即著名的EPR佯謬）。愛(ài)因斯坦從相對(duì)論視角出發(fā)，提出了一個(gè)局域?qū)嵲谡撚^點(diǎn)：

? 物質(zhì)是獨(dú)立于觀測(cè)者而客觀存在的（實(shí)在論）；

? 兩粒子間任何的關(guān)聯(lián)都不可以超過(guò)光速（局域論）。

當(dāng)時(shí)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(ài)因斯坦和薛定諤為首的反對(duì)派。

愛(ài)因斯坦認(rèn)為，一定有一個(gè)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(gè)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)嵲谡摚允遣煌陚涞摹?/span>

而玻爾則認(rèn)為，量子力學(xué)是正確的，在它背后并沒(méi)有那個(gè)所謂的“隱變量理論”，量子力學(xué)的概率性本身就是對(duì)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(zhēng)論持續(xù)了多年，而這個(gè)問(wèn)題也被歸為哲學(xué)問(wèn)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(wèn)題變成了實(shí)驗(yàn)物理的問(wèn)題，即世界是非定域性的，不可以用局域變量來(lái)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(jì)70年代，約翰·克勞澤首先完成了檢驗(yàn)貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)。

但他的實(shí)驗(yàn)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(gè)可見(jiàn)光子，完成了更為精確和幾乎無(wú)漏洞的貝爾不等式實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

隨后，通過(guò)精致的工具和一系列實(shí)驗(yàn)，安東·塞林格也完成了更多糾纏粒子的無(wú)漏洞貝爾不等式實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(cè)量光子的偏振。經(jīng)過(guò)一系列測(cè)量，證明它們違反了貝爾不等式。

▲阿蘭·阿斯佩開(kāi)發(fā)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)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(huì)包含任何可能影響結(jié)果的預(yù)先信息。

▲安東·塞林格對(duì)貝爾不等式進(jìn)行了更多測(cè)試，他通過(guò)將激光照射在特殊晶體上來(lái)制備糾纏光子對(duì)，并使用隨機(jī)數(shù)切換測(cè)量設(shè)置。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)使用來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的信號(hào)來(lái)控制濾光片，并確保信號(hào)不會(huì)相互影響。

然而，所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，量子糾纏是真實(shí)存在的！

他們通過(guò)精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不僅證明了量子力學(xué)違反了貝爾不等式，同時(shí)也說(shuō)明了愛(ài)因斯坦對(duì)“量子糾纏”提出的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，更為今天的量子計(jì)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)它就好比是量子世界中存在一種類(lèi)似“心靈感應(yīng)”的現(xiàn)象，這一概念來(lái)源于愛(ài)因斯坦等人在1935年提出的EPR悖論。這個(gè)悖論顯示，在量子力學(xué)中，兩個(gè)曾經(jīng)相互作用過(guò)的粒子，無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，其量子狀態(tài)仍有能力“糾纏”在一起，共享同一個(gè)整體的物理狀態(tài)。

現(xiàn)如今，量子力學(xué)已經(jīng)開(kāi)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(jì)算機(jī)、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(shuō)，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(duì)量子理論基礎(chǔ)的深層次理解，打開(kāi)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(shí)踐的角度來(lái)看，量子糾纏所代表的其實(shí)是一個(gè)巨大資源?？茖W(xué)家們對(duì)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(jiǎng)的三位物理學(xué)家長(zhǎng)期對(duì)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(duì)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(huì)主席安德斯·伊爾貝克所言：“越來(lái)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(jiǎng)?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(wèn)題?！?/span>