讓它變得可檢驗的那個人
1964 年,一位名叫約翰·貝爾(John Bell)的愛爾蘭物理學家做成了一件沒人認為可能的事:他找到了一個辦法,去測量愛因斯坦的世界觀與量子力學之間的差別。三十年來,EPR 之爭一直像是在爭論口味。貝爾看出:如果粒子真的攜帶著隱藏的、預設的答案——定域隱變量——那麼大量測量的統計規律就會服從一條嚴格的上限。而量子力學預言,同樣這些統計規律可以突破那條上限。一個數字,兩種預言。由大自然來裁定。他推導出的那條上限,如今就叫貝爾不等式。
其精妙之處在於:貝爾的上限僅由定域實在論推出,完全不引用量子力學。任何由「具有確定的定域屬性的物體」構成的宇宙——無論那些隱藏的細節是什麼——都必須服從它。因此,如果一個實驗突破了這條上限,那就沒有任何巧妙的定域隱變量模型能夠被打上補丁來挽救常識。正是這一點,使它成為對實在本身、而非對某一種特定理論的真正檢驗。
訣竅:在不同角度上測量
下面是那個巧妙的轉折。在簡單的硬幣故事裡,愛麗絲和鮑勃總是測量「同一個問題」。貝爾的想法是:讓他們各自隨機選擇問哪個問題——比如,把測量裝置朝向幾個不同角度中的某一個。可以把這套裝置想成斯特恩–格拉赫實驗裡的磁體,它會沿你所指的任意方向把粒子分揀成向上或向下。愛麗絲選一個角度,鮑勃選一個角度,他們各自記下兩個結果。用新鮮的糾纏對重複成千上萬次,然後研究:隨著角度設置的變化,他們的答案有多頻繁地一致。
為什麼改變角度如此關鍵?因為如果每個粒子都偷偷為愛麗絲或鮑勃可能選擇的每一個角度攜帶了一張預先寫好的答案,那麼這些預寫的「答題卡」之間的協調程度是有上限的。隨著角度變化,答案一致的強弱波動有一個天花板——這個天花板就是貝爾不等式。而量子粒子沒有答題卡、當場才作決定,它們的波動可以更劇烈。正是這種不一致,是實驗所要尋找的。
大自然必須尊重的那個數字——或不尊重
最常用的實用版本是CHSH 不等式,以四位把貝爾的思想改寫得適合真實實驗室的物理學家命名。你把四種特定角度搭配下的「答案一致」統計,合成一個單一的分數,通常寫作 S。來自定域實在論的規則簡潔而冷峻:
Local hidden variables (Einstein's world): |S| <= 2 Quantum mechanics predicts (best angles): |S| = 2 * sqrt(2) (about 2.83) Measure S in the lab. If S stays under 2 -> Einstein could be right. If S exceeds 2 -> no local-hidden-variable story can fit.
請再讀一遍,因為這就是全部勝負所在。如果世界由定域隱變量運行,那個分數就永遠不可能爬過 2——這是一個數學上的確定性,對任何能想像到的此類理論都成立。而量子力學說,只要角度選得對,分數就會爬到約 2.83,輕鬆越過那堵牆。所以這個實驗一點也不微妙:測出 S,看它落在 2 的哪一邊就行。那些把分數推過 2、強於經典的「答案一致」,正是糾纏的標誌性量子關聯。
從思想實驗到實驗台
貝爾送給物理學一份禮物:把一場哲學爭吵改寫成了任何擁有合適設備的人都能進行的測量。一次探測這個分數的實驗,如今就叫貝爾檢驗。請注意什麼被檢驗了、什麼沒有。貝爾檢驗並不假設量子力學是對的;它讓定域實在論與大自然實際所為正面對決。如果 S 超過 2,那麼 EPR 珍視的兩個假設——定域性,或實在性——中至少有一個必定是錯的。受審的,是常識本身。1964 年之後所剩下的,只是要有人去搭建裝置並把它跑起來。下一篇講的就是:是誰做到的,以及他們發現了什麼。