祝贺阿斯佩获2022年诺贝尔物理奖 ──不算迟到的胜利:科学走向多极化吗 黄志洵 (中国传媒大学信息工程学院 北京100024) 摘要:在量子纠缠实验中,两个粒子无论相距多远都相互联系在一起。这曾令爱因斯坦感到不安,他称其为幽灵般的远距作用”。不过笔者却另有看法。我相信,三位获奖者都会怀念贝尔。 关键词:超光速、虚实不分、贝尔不等式、量子纠缠 【0、引言】 2022年10月的第一个星期,传来了令人激动的消息──2022年诺贝尔物理学奖被授予阿兰•阿斯佩、奥地利物理学家安东•塞林格等三人。颁奖机构说,他们因“做光子纠缠实验、确定贝尔不等式不成立和进行开创性的 量子信息科学工作”而获奖。路透社的电讯说:“三位科学家都做了量子纠缠实验。在量子纠缠实验中,两个粒子无论相距多远都相互联系在一起。这曾令爱因斯坦感到不安,他称其为幽灵般的远距作用”。不过笔者却另有看法。 【1、笔者另有的看法】 1926年诞生的量子力学(QM),90多年来一直高歌猛进、所向披靡,被誉为人类思想史上最重要、最美丽的成果之一,应用范围也极其广阔。量子力学的本质在于其非经典性、微观性和非局域性,而量子非局域性又可通俗地解释为超光速性,以及允许量子纠缠态存在。 1935年爱因斯坦(Einstein)、波多尔斯基(Podolsky)和罗森(Rosen)联合发表了一篇EPR 论文,是反对量子力学的,分歧的本质正在于狭义相对论与量子力学的世界观、时空观不同。 不过笔者却另有的看法是,自1965年以来,贝尔不等式已经得到广泛验证,成为一种重要手段,用以识别可通过离散测量来描述的纠缠。例如测量一个量子粒子的自旋方向,然后确定这一测量结果是否与另一个粒子的自旋相关。如果一个系统违反了这个不等式,那么纠缠就存在。总之,贝尔不等式是否得到遵守,成为一种标志性的查验方法。理论和实验都表明非局域性是量子力学的基本特征──实验结果违背贝尔不等式就表明非局域性存在。贝尔的姓名进入了科学史,他的不等式被誉为“人类历史上最伟大的科学发现之一”。 与此对立的是相对论(主要指狭义相对论SR)的经典性、宏观性和局域性,这个局域实在论的主要内容是:相信经典的物理实在,相信局域化因果率,反对几率化思维;认为光速是宇宙中的动体速度和信息传播速度的极限;不承认物理上有纠缠态存在的可能。 【2、贝尔开启了量子信息学研究的大门】 笔者认为这两大理论体系并非像有些人所说只是“存在矛盾”,而是根本格格不入的。在EPR论文中,有一些内容只是铺垫(例如,说物理理论不仅要正确而且要“完备”;又如,说量子力学中波函数所给出的对实在的描述“不完备”)。根本性的东西是在对“双体系系统”(两个子系统组成的系统)相互作用的分析里面。 在这里,子系统Ⅰ、Ⅱ应理解为微观体系,例如粒子。两个子系统在t=0以前的态为已知,t=0到t=T期间它们互相作用,t>T时不再相互作用(例如远离──向不同方向分开)。设Ψ(x1,x2)为系统的量子态,它可按测量Ⅰ的物理量(如力学量)A的本征函数系而展开,也可按测量Ⅰ的物理量的本征函数系而展开。根据量子力学,测量时波包会坍缩,测量后Ψ(x1,x2)将简缩,造成对Ⅰ测量会影响Ⅱ的状态。 但Ⅰ、Ⅱ已分开,这种离奇的超距作用影响是不可能发生的。由于狭义相对论规定自然界的相互作用只能以低于光速而实现,空间分开的体系应是局域性的,但量子力学却给出了非局域性的情况,因而量子力学是不自洽和不完备的。这些就是EPR论文中最重要的东西。 由此可见,有一根无形的丝线把狭义相对论和EPR联系在一起;也可以说,EPR思维正是以狭义相对论作为基础而提出的。其次,我们说狭义相对论与量子力学的世界观有尖锐矛盾,正是表现在“局域性实在论还是非局域性”这样的问题上。EPR论文是爱因斯坦在56岁时,最大限度地运用其智慧给量子力学以他所希望的沉重打击。 1927年海森堡不确定性原理的出现使爱因斯坦震惊,但他认为EPR论文可以驳倒该原理并证明量子力学不完善。EPR中的“两个体系”(Ⅰ和Ⅱ)的讨论中似乎表示“既测知位置又知道速度”是可以办到的,因为Ⅰ的速度即Ⅱ的速度。文章发表后,玻尔起而反驳。 玻尔的意思是EPR论文中的设定可以被驳回──不确定性既影响Ⅰ又影响Ⅱ,在测量Ⅰ时Ⅱ立即受影响从而使结果与牛顿定律一致;这种作用会即时发生,即使Ⅰ、Ⅱ相距很远。但是年轻些的科学家(如海森堡)却不便像玻尔那样去和爱因斯坦辩论。 这不仅因为爱因斯坦是他们的前辈,而且因为他当时在全世界已是众所周知的人物,享有巨大的威望。 俄罗斯的V.Fok院士说:“在量子理论发展初期曾为它作了许多工作的爱因斯坦,对近代的量子力学却采取了否定态度,这是特别令人惊异的。EPR思维中的两个子系统之间没有直接的力的相互作用,一个也能影响另一个,爱因斯坦认为不可理解,从而认为量子力学不完备。” Fok认为,量子力学中泡利原理的相互作用(影响)是一个非力的例子。具有共同波函数的两个粒子(EPR系统)之间的相互作用(影响)是量子力学的非力相互作用(影响)的另一种形式。非力的相互作用(影响)的存在不容置疑,否定这种作用是错误的。 贝尔在1965年提出他的理论贝尔不等式(Bell不等式)时,还是爱因斯坦理论的拥护者。20年后(1985年)他却成了反对者。他向 BBC作了明确的回答──认为优先的(特惠的)参考系存在,亦即以太存在。说超光速有存在的可能;认为相对论成了量子理论发展的障碍,而爱因斯坦的世界观站不住脚。总之,他主张回到狭义相对论之前。 贝尔是把狭义相对论和EPR联系在一起而作评论的,因为这两个理论都关系到我们究竟采取什么样的自然观和宇宙观。EPR以反对量子力学开始,以失败告终。转折点是1982年的阿斯佩实验;后来40年量子信息学的大发展,进一步宣告了爱因斯坦理论的 破产。 从量子纠缠态研究的进展可以看出,量子力学世界观已完全击败了狭义相对论世界观。实验成功的两光子间纠缠的距离,从最早(阿斯佩)的15m,逐步发展到25km,乃至10年前的144km。 2017年6月15日出版的《Science(科学)》杂志报道了潘建伟院士领导中国科学家团队用量子卫星做出新成果──实现了千公里级的量子纠缠(从 青海省德令哈站到 云南省高美古站距离为1203km)。这一成果使世界震惊。总之,一系列实验完美地证明狭义相对论时空观存在问题,已是不争的事实。 20世纪60年代中期,欧洲核子研究中心的贝尔发表两篇论文,提出一个与量子力相容的隐变量模型,认为“任何局域变量理论均不能重现量子力学全部统计性预言”,提出了两粒子分别沿时空不同方向做自旋投影时一些相关函数之间应满足的不等式。 贝尔原来是坚定地支持爱因斯坦、相信物理实在性和局域性的。他认为是某种隐变量造成了量子力学中神秘的超距作用。实际上可以构造一个理论上的不等式(粒子观测结果必定遵循该式),从而证实EPR论文所说的量子力学不完备性。贝尔的分析建筑在玻姆的自旋相关方案及隐变量理论的基础上。我们现在免去数学分析,仅强调指出:贝尔不等式与量子力学不一致。 贝尔定理是说,一个隐变量理论不能重现量子力学的全部预言……但情况究竟如何?必须由实验来确定。突破是由于法国物理学家阿兰•阿斯佩的精确实验。阿斯佩领导完成的实验以高精度证明结果大大违反贝尔不等式,而与量子力学的预言极为一致。贝尔不等式被精确实验证明不成立,意味着EPR论文错了,而量子力学是正确的。可以说,贝尔开启了量子信息学研究的大门!
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