把實在搬進實驗室
貝爾給了物理學一個可測量的裁決;現在得有人真正去做這個貝爾檢驗。這套配方聽起來容易,做起來卻難如登天:製備大量糾纏對,把它們送到兩個相距很遠的探測器,讓每個探測器獨立且隨機地挑一個測量角度,記錄結果,統計出分數 S。如果 S 爬過 2,定域隱變量就死定了。難點在於:要把這件事做得足夠乾淨,使得任何乏味的漏洞——一個意外的關聯、一個反應遲鈍的探測器、一段洩露的信號——都無法偽造出這個結果。
最早一批認真的嘗試出現在 1970 年代初,大多使用成對的光的光子——光子既容易被製成糾纏態,又容易被送得四散飛開。結果傾向於量子力學,但裝置粗糙,懷疑者還有發牢騷的餘地。真正吸引全世界目光的突破,來自 1980 年代的開端。
阿斯佩 1982 年的精彩結果
1982 年在巴黎,阿蘭·阿斯佩(Alain Aspect)和他的團隊完成了第一個真正令人信服的貝爾檢驗,如今被銘記為阿斯佩實驗。他們最妙的一手,針對的是一個顯而易見的擔憂:萬一兩個探測器以某種方式相互影響,一個悄悄告訴另一個自己是怎麼設置的,怎麼辦?阿斯佩團隊在光子已經飛行途中才切換測量角度,晚到任何以光速傳播的信號都來不及去協調兩端。愛麗絲那一側「問什麼問題」的選擇,根本不可能及時傳到鮑勃那一側。然而分數依舊越過了 2,恰恰落在量子力學所說的位置。
堵上每一處滲漏:無漏洞檢驗
阿斯佩堵上了一個漏洞,但執著的懷疑者還能指出其他漏洞。其中兩個尤為突出。探測漏洞:如果你的探測器漏掉了大部分粒子,也許你碰巧捕捉到的那些,是一個不具代表性、相互串通的樣本。選擇自由漏洞:也許那些隨機的角度選擇,本身就被某個共同的過去原因悄悄操縱了。幾十年裡,每個實驗在堵上某些漏洞的同時,總給另一個留著一道縫。一個頑固的定域實在論者,總能退守到那道仍然敞開的縫裡。
然後,2015 年到來了。好幾個團隊——其中最著名的是由羅納德·漢森(Ronald Hanson)領導的代爾夫特團隊——完成了第一個無漏洞貝爾檢驗,在一次實驗中同時堵上了所有主要漏洞。代爾夫特團隊使用相距 1.3 公里的金剛石中的糾纏電子,探測器效率足夠高、間隔足夠遠,足以同時關上每一扇門。同一年,其他團隊用光子也確認了這一結果。裁決毫不含糊:分數突破了 2。定域實在論,到此為止。
- 定域性漏洞——通過快速、遠距地選定角度來堵上,使任何光速信號都無法同步兩端(阿斯佩的思路,後來被完善)。
- 探測漏洞——通過捕捉到足夠高比例的粒子來堵上,使樣本不可能是一個被做了手腳的子集。
- 選擇自由漏洞——通過從足夠獨立的來源(甚至來自遙遠星光)抽取角度設置來應對,使它們不可能共享一個共同原因。
- 2015 年:所有主要漏洞一次性同時堵上——這就是無漏洞貝爾檢驗。
我們被迫得出的結論
實驗結果都已出爐,在全球各地反覆驗證,而它們眾口一詞:貝爾不等式被違反了,恰如量子力學所預言。所以 EPR 那兩個常識假設中至少有一個根本就是錯的。要麼世界是非定域的——遙遠的事件能以任何定域機制都無法解釋的方式相互關聯——要麼粒子不攜帶確定的、早已存在的值,或者兩者皆然。物理學家的簡稱是:大自然表現出非定域性,或更謹慎地說,定域實在論是錯的。愛因斯坦那幅令人安心的「密封信封式實在」的圖景,並不是我們宇宙運行的方式。
請細細體會這有多了不起。一個聽起來純屬形而上學的問題——實在是否擁有確定的、由本地攜帶的屬性?——竟被秒表、雷射和金剛石回答了。2022 年諾貝爾物理學獎正是為此頒給阿斯佩、約翰·克勞澤(John Clauser)和安東·蔡林格(Anton Zeilinger):把一場哲學押注變成了已成定論的實驗事實。那些量子關聯是真實的,強於任何經典敘事所允許的程度。這就只剩下最後一個、也是最緊迫的憂慮——既然這邊的一次測量能瞬時塑造那邊的結果,我們當然就能以超過光速的方式發送信號了吧?這正是最後一篇要徹底了結的問題。