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50年物理難題蓋棺定論 愛因斯坦被證明錯了

雖然愛因斯坦是量子理論的始作俑者,可他本人一生都不願接受量子力學的怪誕結論。他說過一句很有名的話“上帝是不投骰子的”,旨在否定量子力學對物理世界 概率性的描述。儘管愛因斯坦已經去世60年,但他給後人留下的爭論一直是科學界的熱門話題。然而,幾天前由荷蘭物理學家發布的實驗結果終於表明,愛因斯坦 錯了。

從量子力學誕生開始,爭論就沒有停止過。儘管以丹麥物理學家波爾為代表的“哥本哈根學派”認為量子力學是完備且自圓其說的,愛因 斯坦等物理學家卻始終堅持量子力學不是最終理論。愛因斯坦認為,物理世界的主宰是傳統的機械決定論,而非概率。兩派長期針鋒相對,唇槍舌戰,他們爭論的焦 點落在了“量子糾纏”(quantumentanglement)上,而量子糾纏直接挑戰了經典物理學的定域性描述。比如,兩個朝相反方向運動的光子,只 要不受干擾,無論相距多遠都可以在瞬間傳遞信息。打個比方,即使牛郎和織女分居在銀河兩頭,彼此心映即刻完成,無需時間。

愛因斯坦難以 接受這樣的結論,因為按照他提出的相對論,信號傳遞的最快速度是光速,兩個相距甚遠的物體是不可能在瞬間交換信息的。也就是說,如果銀河係有10萬光年 大,那麼牛郎的呼喚需要10萬年後才能被織女知道,絕不是發生於頃刻之間事情。愛因斯坦為此還提出了著名的“隱變量理論”,將量子力學不能給出確定結果的 概率問題,歸咎於人們對某種尚未發現的“隱變量”的無知。他認為,那兩個彼此背離而行的光子,一定是具有某種內在的機制,決定了它們之後的行為,只不過人 們不知道罷了。也就是說,牛郎和織女在每年分手的時候都要約定好,在日後的某個時刻彼此互相思念,只是這樣的約定還沒有被王母娘娘發現而已。

簡 而言之,如果愛因斯坦是對的,那麼人們依然可以按照傳統的科學理念去理解世界。如果哥本哈根學派是對的,那麼人們就不得不推翻許多根深蒂固的觀念,重新去 審視我們的世界。人們也不得不承認,真實的世界和我們通過感官所接觸、所看到的世界在本質上是完全不同的。在當時,許多人都認為這樣的爭論不會有結果,因 為這已然超越了科學範疇,上升為一個哲學問題。

可轉機出現在上世紀60年代中葉,當時愛因斯坦已經去世10年。歐洲核子研究組織 (CERN)的約翰·貝爾(JohnBell)在赴美國訪問期間,發表了著名的論文,將這一看似抽象的哲學問題簡化為一個清晰的數學不等式,它被人們稱為 “貝爾不等式”。貝爾不等式其實是說,如果愛因斯坦提出的隱變量存在的話,那麼在特定的實驗條件下,實驗結果(大量獨立重複實驗的統計概率)就會被限制在 一個範圍之內。一旦實驗測量超出該範圍,即貝爾不等式不成立的話,那麼愛因斯坦就是錯的,隱變量理論也就不正確。由於貝爾不等式可以直接付諸實驗觀測,愛 因斯坦與哥本哈根學派之間的爭論不再具有形而上的神秘色彩。取而代之的是,人們開始熱衷於貝爾不等式的實驗觀測。

然而實驗測量並不簡 單。在過去的50年裡,人們提出了不計其數的實驗方案,但每一個方案都有漏洞。所以,儘管許多實驗得到了違反貝爾不等式的結果,但由於漏洞的存在也無法在 邏輯上直接證明貝爾不等式不成立。令人振奮的是,最近由荷蘭代爾夫特科技大學的RonaldHanson領導的科研團隊,終於實現了沒有漏洞的實驗觀 測,50年來第一次無懈可擊地直接證明了貝爾不等式不成立。

Hanson團隊的實驗設計十分巧妙。他們在相距1.28千米的兩個實驗室 裡,分別用微波去激發處於極低溫的鑽石裡的電子。當電子被激發出來時,它們同時也放出與自身相糾纏的光子。兩邊的光子通過光纖傳送到位於兩實驗室之間的另 一個探測地點,這裡精確記錄著光子到達的時間。如果兩邊發射過來的光子同時到達並以特定方式乾涉,那麼兩個光子就會立即將自己所“代表”的電子糾纏起來, 實現遠程的量子糾纏。這好比遠隔10萬光年的牛郎和織女各派一個天使在鵲橋相會,如果兩個天使同時到達並正確表達了主人的意思,那麼牛郎和織女就實現了遠 程的“約會”。

由於兩邊的實驗室在同時測量電子的自旋,一旦兩個電子實現了遠程的量子糾纏,儀器就會記錄它們自旋在不同方向出現的頻 率。大量觀測數據的統計結果顯示,貝爾不等式的確不成立。該實驗唯一不盡人意之處,在於兩邊的光子精確同時到達的成功率很低,大約1.5億個光子對中才能 有一對光子成功干涉並實現電子的遠程糾纏。因此,該實驗一共進行了22個多小時,卻只得到245次有效數據。不過,該團隊目前正在努力改進,以期提高效 率。

他們的實驗結果剛剛出爐,尚未來得及發表於正式期刊上,但已經得到物理學界的普遍關注。“這是量子物理學一項里程碑式的文章”,澳 大利亞格里菲斯大學的HowardWiseman評價道,儘管他本人沒有參與這項實驗。工作於悉尼大學的物理學家ChristopherFerrie認為 該實驗將有深遠影響,他說“物理世界和人們日常直覺上看到的世界有著深刻的不同,人們將對此不再有任何的懷疑”。維也納大學的 AntonZeilinger領導著一個與荷蘭Hanson相競爭的科研團隊,當他看到Hanson這項舉世矚目的成果時不禁說道“這是一個非常漂亮的實 驗,除了要祝賀他們的團隊以外沒有別的了。”他還說,如果愛因斯坦活著的話,他一定會對此印象深刻。

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