玻爾還是愛因斯坦?那就是個問題。

 

物理學家們終於行動起來,準備以實踐為檢驗真理的唯一標準,確確實實地探求一下,究竟世界符合兩位科學巨人中哪一位的描述。玻爾和愛因斯坦的爭論本來也只像是哲學上的一種空談,泡利有一次對波恩說,和愛因斯坦爭論量子論的本質就像以前人們爭論一個針尖上能坐多少個天使一般虛無飄渺,但現在已經不同,我們的手裡現在有了貝爾不等式。兩個粒子究竟是乖乖地臣服於經典上帝的這條神聖禁令,還是它們將以一種量子革命式的躁動蔑視任何桎梏,突破這條看起來莊嚴而不可侵犯的規則?如今我們終於可以把它付諸實踐,一切都等待著命運之神最終的判決。

 

 

1969年,Clauser等人改進了玻姆的EPR模型,使其更容易實施。隨即人們在伯克利,哈佛和德州進行了一系列初步的實驗,也許出乎貝爾的意料之外,除了一個實驗外,所有的實驗都模糊地指向量子論的預言結果。但是,最初的實驗都是不嚴密的,和EPR的原型相去甚遠,人們使原子輻射出的光子對通過偏振器,但技術的限制使得在所有的情況下,我們只能獲得單一的+的結果,而不是+和-,所以要獲得EPR的原始推論仍然要靠間接推理。而且當時使用的光源往往只能產生弱信號。

 

隨著技術的進步,特別是雷射技術的進步,更為精確嚴密的實驗有了可能。進入80年代,法國奧賽理論與應用光學研究所(Institut d′Optique Th′orique et Appliqu′e,Orsay C′dex)裡的一群科學家準備第一次在精確的意義上對EPR作出檢驗,領導這個小組的是阿萊恩‧阿斯派克特(Alain Aspect)。

 

法國人用鈣原子作為光子對的來源,他們把鈣原子激發到一個很高的量子態,當它落回到未激發態時,就釋放出能量,也就是一對對光子。實際使用的是一束鈣原子,但是可以用鐳射來聚焦,使它們精確地激發,這樣就產生了一個強信號源。阿斯派克特等人使兩個光子飛出相隔約12米遠,這樣即使信號以光速在它們之間傳播,也要花上40納秒(ns)的時間。光子經過一道閘門進入一對偏振器,但這個閘門也可以改變方向,引導它們去向兩個不同偏振方向的偏振器。如果兩個偏振器的方向是相同的,那麼要麼兩個光子都通過,要麼都不通過,如果方向不同,那麼理論上說(按照愛因斯坦的世界觀),其相關性必須符合貝爾不等式。為了確保兩個光子之間完全沒有資訊的交流,科學家們急速地轉換閘門的位置,平均10ns就改變一次方向,這比雙方之間光速來往的時間都要短許多,光子不可能知道對方是否通過了那裡的偏振器。作為對比,我們也考察兩邊都不放偏振器,以及只有一邊放置偏振器的情況,以消除實驗中的系統誤差。

 

那麼,現在要做的事情,就是記錄兩個光子實際的協作程度。如果它符合貝爾不等式,則愛因斯坦的信念就得到了救贖,世界回復到獨立可靠,客觀實在的地位上來。反之,則我們仍然必須認真地對待玻爾那看上去似乎神秘莫測的量子觀念。

 

時間是1982年,暮夏和初秋之交。七月流火,九月授衣,在時尚之都巴黎,人們似乎已經在忙著揣摩今年的秋冬季將會流行什麼樣式的時裝。在酒吧裡,體育迷們還在為國家隊魂斷西班牙世界盃而扼腕不已。那一年,在普拉蒂尼率領下的,被認為是歷史上最強的那屆國家隊在一場經典賽事中驚心動魄地擊敗了巴西,卻終於在點球上敗給了西德人。高貴的紳士們在沙龍裡暢談天下大勢,議論著老冤家英國人是如何在馬島把阿根廷擺佈得服服貼貼。在盧浮宮和奧賽博物館,一如既往地擠滿了來自世界各地的藝術愛好者,塞納河緩緩流過市中心,倒映著艾菲爾鐵塔和巴黎聖母院的影子,也倒映出路邊風琴手們的清澈眼神。

 

只是,有多少人知道,在不遠處的奧賽光學研究所,一對對奇妙的光子正從鈣原子中被激發出來,沖向那些命運交關的偏振器;我們的世界,正在接受一場終極的考驗,向我們揭開她那隱藏在神秘面紗後面的真實面目呢?

 

如果愛因斯坦和玻爾神靈不昧,或許他們也在天國中注視著這次實驗的結果吧?要是真的有上帝的話,他老人家又在幹什麼呢?也許,連他也不得不把這一切交給命運來安排,用一個黃金的天平和兩個代表命運的砝碼來決定這個世界本性的歸屬,就如同當年阿喀琉斯和赫克托耳在特洛伊城下那場傳奇的決鬥。

 

一對,兩對,三對...資料逐漸積累起來了。1萬2千秒,也就是3個多小時後,結果出來了。科學家們都長出了一口氣。

 

愛因斯坦輸了!實驗結果和量子論的預言完全符合,而相對愛因斯坦的預測卻偏離了5個標準方差--這已經足夠決定一切。貝爾不等式這把雙刃劍的確威力強大,但它斬斷的卻不是量子論的輝光,而是反過來擊碎了愛因斯坦所執著信守的那個夢想!

 

阿斯派克特等人的報告於當年12月發表在”物理評論快報”(Physics Review Letters)上,科學界最初的反應出奇地沉默。大家都知道這個結果的重要意義,然而似乎都不知道該說什麼才好。

 

愛因斯坦輸了?這意味著什麼?難道這個世界真的比我們所能想像的更為神秘和奇妙,以致於我們那可憐的常識終於要在它的面前破碎得七零八落?這個世界不依賴於你也不依賴於我,它就是「在那裡存在著」,這不是明擺著的事情嗎?為什麼站在這樣一個基本假設上所推導出來的結論和實驗結果之間有著無法彌補的鴻溝?是上帝瘋了,還是你我瘋了?

 

全世界的人們都試圖重複阿斯派克特的實驗,而且新的手段也開始不斷地被引入,實驗模型越來越靠近愛因斯坦當年那個最原始的EPR設想。馬里蘭和羅切斯特的科學家們使用了紫外光,以研究觀測所得到的連續的,而非離散的輸出相關性。在英國的Malvern,人們用光纖引導兩個糾纏的光子,使它們分離4公里以上,而在日內瓦,這一距離達到了數十公里。即使在這樣的距離上,貝爾不等式仍然遭到無情的突破。

 

另外,按照貝爾原來的設想,我們應該不讓光子對「事先知道」觀測方向是哪些,也就是說,為了確保它們能夠對對它們而言不可預測的事件進行某種似乎不可思議的超距的合作(按照量子力學的預測),我們應該在它們飛行的路上才作出隨機的觀測方向的安排。在阿斯派克特實驗裡,我們看到他們以10ns的速度來轉換閘門,然而他們所能夠使兩光子分離的距離12米還是顯得太短,不太保險。1998年,奧地利因斯布魯克(Innsbruck)大學的科學家們讓光子飛出相距400米,這樣他們就有了1.3微秒的時間來完成偏振器的隨機安排。這次時間上綽綽有餘,其結果是如此地不容置疑:愛因斯坦這次輸得更慘--30個標準方差!

 

1990年,Greenberger,Horne和Zeilinger等人向人們展示了,就算不用到貝爾不等式,我們也有更好的方法來昭顯量子力學和一個「經典理論」(定域的隱變數理論)之間的尖銳衝突,這就是著名的GHZ測試(以三人名字的首字母命名),它牽涉到三個或更多光子的糾纏。2000年,潘建偉、Bouwmeester、Daniell等人在Nature雜誌上報導,他們的實驗結果再次否決了定域實在,也就是愛因斯坦信念的可能性--8個標準方差!

 

2001年,Rowe等人描述了更加精密的Be+離子捕獲實驗。2003年,Pittman和Franson報導了產生於兩個獨立源的光子對於貝爾不等式的違反;而Hasegawa等人更是在單中子的干涉測量中發現了突破類貝爾關係的結果。

 

在世界各地的實驗室裡,粒子們都頑強地保持著一種微妙而神奇的聯繫。仿佛存心要炫耀它們的能力般地,它們一再地嘲笑經典世界給它們定下的所謂不可突破的束縛,一次又一次把那個被宣稱是不可侵犯的教條踩在腳下。這一現象變得如此地不容置疑,在量子資訊領域已經變成了測試兩個量子比特是否仍然處在糾纏狀態的一種常規方法(有一個好處是可以知道你的資訊有否被人中途竊聽!)。

 

儘管我們也許會在將來做出更多更精密的實驗,但總體來看,在EPR中貝爾不等式的突破是一個無可辯駁的事實。或許在未來,新的實驗會把我們目前的結論全部推翻,讓世界恢復到經典的面目中去,但從目前來看,這種可能性是微乎其微的。

 

不知道愛因斯坦如果活到今天,他會對此發表什麼樣的看法?也許他會說一些靈活的話。我們似乎聽到在遙遠的天國,他和玻爾仍在重複那段經典的對白:

 

愛因斯坦:玻爾,親愛的上帝不擲骰子!

 

玻爾:愛因斯坦,別去指揮上帝應該怎麼做!

 

現在,就讓我們狂妄一回,以一種尼采式的姿態來宣佈:

 

愛因斯坦的上帝已經死了。

 

 

上帝擲骰子嗎-量子物理史話(曹天元)

 

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感謝一切~ NAMASTE

 

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