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一锤定音的那些实验

从阿斯佩到无漏洞检验,实在如何被证明是非定域的。

把实在搬进实验室

贝尔给了物理学一个可测量的裁决;现在得有人真正去做这个贝尔检验。这套配方听起来容易,做起来却难如登天:制备大量纠缠对,把它们送到两个相距很远的探测器,让每个探测器独立且随机地挑一个测量角度,记录结果,统计出分数 S。如果 S 爬过 2,定域隐变量就死定了。难点在于:要把这件事做得足够干净,使得任何乏味的漏洞——一个意外的关联、一个反应迟钝的探测器、一段泄露的信号——都无法伪造出这个结果。

最早一批认真的尝试出现在 1970 年代初,大多使用成对的光的光子——光子既容易被制成纠缠态,又容易被送得四散飞开。结果倾向于量子力学,但装置粗糙,怀疑者还有发牢骚的余地。真正吸引全世界目光的突破,来自 1980 年代的开端。

阿斯佩 1982 年的精彩结果

1982 年在巴黎,阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)和他的团队完成了第一个真正令人信服的贝尔检验,如今被铭记为阿斯佩实验。他们最妙的一手,针对的是一个显而易见的担忧:万一两个探测器以某种方式相互影响,一个悄悄告诉另一个自己是怎么设置的,怎么办?阿斯佩团队在光子已经飞行途中才切换测量角度,晚到任何以光速传播的信号都来不及去协调两端。爱丽丝那一侧“问什么问题”的选择,根本不可能及时传到鲍勃那一侧。然而分数依旧越过了 2,恰恰落在量子力学所说的位置。

堵上每一处渗漏:无漏洞检验

阿斯佩堵上了一个漏洞,但执着的怀疑者还能指出其他漏洞。其中两个尤为突出。探测漏洞:如果你的探测器漏掉了大部分粒子,也许你碰巧捕捉到的那些,是一个不具代表性、相互串通的样本。选择自由漏洞:也许那些随机的角度选择,本身就被某个共同的过去原因悄悄操纵了。几十年里,每个实验在堵上某些漏洞的同时,总给另一个留着一道缝。一个顽固的定域实在论者,总能退守到那道仍然敞开的缝里。

然后,2015 年到来了。好几个团队——其中最著名的是由罗纳德·汉森(Ronald Hanson)领导的代尔夫特团队——完成了第一个无漏洞贝尔检验,在一次实验中同时堵上了所有主要漏洞。代尔夫特团队使用相距 1.3 公里的金刚石中的纠缠电子,探测器效率足够高、间隔足够远,足以同时关上每一扇门。同一年,其他团队用光子也确认了这一结果。裁决毫不含糊:分数突破了 2。定域实在论,到此为止。

  1. 定域性漏洞——通过快速、远距地选定角度来堵上,使任何光速信号都无法同步两端(阿斯佩的思路,后来被完善)。
  2. 探测漏洞——通过捕捉到足够高比例的粒子来堵上,使样本不可能是一个被做了手脚的子集。
  3. 选择自由漏洞——通过从足够独立的来源(甚至来自遥远星光)抽取角度设置来应对,使它们不可能共享一个共同原因。
  4. 2015 年:所有主要漏洞一次性同时堵上——这就是无漏洞贝尔检验。

我们被迫得出的结论

实验结果都已出炉,在全球各地反复验证,而它们众口一词:贝尔不等式被违反了,恰如量子力学所预言。所以 EPR 那两个常识假设中至少有一个根本就是错的。要么世界是非定域的——遥远的事件能以任何定域机制都无法解释的方式相互关联——要么粒子携带确定的、早已存在的值,或者两者皆然。物理学家的简称是:大自然表现出非定域性,或更谨慎地说,定域实在论是错的。爱因斯坦那幅令人安心的“密封信封式实在”的图景,并不是我们宇宙运行的方式。

请细细体会这有多了不起。一个听起来纯属形而上学的问题——实在是否拥有确定的、由本地携带的属性?——竟被秒表、激光和金刚石回答了。2022 年诺贝尔物理学奖正是为此颁给阿斯佩、约翰·克劳泽(John Clauser)和安东·蔡林格(Anton Zeilinger):把一场哲学押注变成了已成定论的实验事实。那些量子关联是真实的,强于任何经典叙事所允许的程度。这就只剩下最后一个、也是最紧迫的忧虑——既然这边的一次测量能瞬时塑造那边的结果,我们当然就能以超过光速的方式发送信号了吧?这正是最后一篇要彻底了结的问题。