未登录

开通VIP,畅享免费电子书等14项超值服

开通VIP
把爱因斯坦和薛定谔都绕进去的课题,有多难解答?

2022.06.05 广西

量子力学哥本哈根学派掌门人——尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)曾多次说过: “如果量子力学还没有深刻地震撼你,那你就还没有弄懂它。 ”

尼尔斯·玻尔

由于与日常生活相差甚远,许多量子现象不可思议:电子的量子跃迁、不确定性测量关系、电子的多重态、薛定谔猫、惠勒猫等,这些奇异现象不仅普通人不懂,有时就连大科学家,如爱因斯坦和量子力学创始人之一埃尔温·薛定谔也曾被“绕”进去。以上这些还不算完,还有一个可以称为“奇异中更奇异”的现象,这就是“量子纠缠”,爱因斯坦去世前还对此耿耿于怀,因为他没有接受它。

“纠缠”(entanglement)这个词,似乎暗示着 “陷入某种困境”或“麻烦”。“量子纠缠”现象就给科学界造成“大麻烦”。1935年,薛定谔在《剑桥哲学学会年报》的一篇文章中首次把“量子纠缠”引入到物理学中来。他这一行为把事情闹得很大,首先,爱因斯坦借这个茬再次找量子力学的麻烦。本来“量子纠缠”(quantum entanglement)是量子力学中的一个必然推论,爱因斯坦却认为这是闯入物理学中的“幽灵”,直接挑战他的“局域性”原则,又撼动他的相对论理论。

提出EPR时期的爱因斯坦

爱因斯坦竭尽全力捍卫的“局域性”是指:任何两个不在一个地方的事物要想用信号彼此联系,最快的信息传递也不能超过光速。也就是说,两地不能“隔空地、即时地”联系。例如,两人谈话时,说话声音通过声波传送,而声波的传送过程是需要时间的,比如,观看电视时,画面信息通过光波传播,即使光传送得最快,也是须花费时间的。任何事物都要遵守这个“局域性”约束。

一般人会认为爱因斯坦是对的,“局域性”原则毋庸置疑。正是坚信“局域性”,爱因斯坦把“光以有限速度传播”放入他的相对论原理当中,如果撼动“局域性”,就等于撼动“相对论大厦”的根基。此外,爱因斯坦还坚信,任何事物都要受到因果关系制约,也就是事物发生的原因在前,造成的后果在其后。但是,在1978年他的同事约翰·惠勒通过一个假想的“延迟选择实验”,就把因果关系完全颠覆。这个假想实验陆续由多个实验验证, “延迟选择实验”证明,量子现象的奇异性无边无际。

尽管爱因斯坦冲破了牛顿的经典时空观,尽管他是量子论的总鼻祖,但随后量子力学的诸多发展,还是与他的经典观念发生不可避免的冲突。正是出于观念上的根本原因,爱因斯坦养成了嘲笑玻尔的习惯,在1927年和1930年召开的两届索尔维物理学大会上,他两度对玻尔发起挑战,但两次都以他失算告终。

两次失利之后,爱因斯坦知道哥本哈根的这个对手不好惹,他改变策略,不再向玻尔随随便便地提出什么梦魇般的问题,他集合两个合作者,即波利斯·波多尔斯基和内森·罗森,撰写一篇论文,公开就“量子纠缠”进行质疑。1935年5月15日,这篇论文发表在《物理评论》上,题目是“量子力学对物理实在性的描述是完备的吗?”论文来自三位作者,以他们的姓氏第一个字母打头,成为量子力学发展史上著名的EPR质疑,又称为EPR佯谬,质疑的主要目标之一就是“量子纠缠态”。

第五届索尔维大会以后的十多年来,爱因斯坦一直让玻尔感到不安,EPR这篇论文犹如一颗重型炮弹,把玻尔和他的哥本哈根学派同伙逼到无路可逃的境地,他们严阵以待、急谋对策。EPR带有强烈的哲学意味,加之涉及的话题又非常奇异和艰涩,一般人很难看懂。但玻尔心里清楚,论文直指“量子纠缠”而来。

EPR提出一个极为不可思议的假想实验。他们设想,把一个粒子分成“两半”,例如一个光子分裂成一对正负电子,由于在出生时,它们没有运动,这两个电子将永远处于动量相互抵消之中,这个体系不可能莫名其妙地产生额外的动量。当一个电子向一个方向飞射出去,另一个电子就会朝相反方向飞射出去;当一个电子沿顺时针方向自旋,另一个电子就会沿反时针方向自旋。它们就是这样处于“纠缠态”之中。

这个例子告诉我们一件很有意思的事,如果知道一个粒子的信息,就可以立刻知道另一个粒子的信息。例如:一旦测定一个粒子的位置,就可以立刻得知另一个粒子的位置;一旦测定一个粒子的动量,就可以立刻得知另一个粒子的动量,无论它们离开有多么远,哪怕是几光年的距离也无妨。

表面看来似乎这里面没有什么别的事,但如果深挖,就会出现咄咄怪事。在这里要注意,微观粒子与普通生活中见到的小球不同,它们涉及“多重态的叠加”,也就是,在我们没有测量之前,它们总是处于各种可能的“各种可能状态”的叠加之中,除非我们去测量它,它就会立刻“坍缩”到“某一个状态”之下,例如具有某种动量值。现在的关键问题来了,当我们测量第一个粒子动量时,第二个粒子是怎么“知道”自己的动量该“坍缩”到什么样子的呢?是什么原因使它跳到这个状态上去的呢?难道它所获得的信息是“隔空地、即时地”传递过来的吗?在这个挑战性的EPR质疑中,爱因斯坦提出“局域性”的诘难。它使得人们要么接受爱因斯坦的观点,哥本哈根的量子力学存在缺陷,量子力学将从这里打开缺口,陷入危机;要么爱因斯坦的“局域性”被瓦解,这就破坏了相对论的根基。

为了挽回败局,薛定谔曾提出一个变通的办法。他认为,“纠缠”只出现在非常短的距离内,这样,和使粒子“坍缩”的测量时间相比,光从一点到另一点的时间可以完全忽略不计。但是,他的这一假设仍然没有挽回败局。而作为哥本哈根一方,对EPR的诘难,也没有招架之力,就连玻尔本人最终也不得不承认,他“对爱因斯坦等人的EPR理论的反驳是软弱无力的”。

争论的双方都没有想到,不到几年工夫,量子遥传实验彻底击败了爱因斯坦,量子力学第一代和第二代之争从此落幕,这一领域的发展任务已经落到第三代人的肩上。

从20世纪50年代开始,物理学进入发展的“白银时代”,惠勒的“延迟选择实验”及贝尔的“不等式定理”,相当于两把“金钥匙”,它们打开了量子力学实验研究的大门。从此,以 “叠加态”和“纠缠态”为中心,掀起量子力学理论与实验研究的新高潮。惠勒、诺依曼、费曼、玻姆、贝尔、阿斯佩、克劳瑟等量子力学第三代大师陆续登场,他们的研究成果不仅在理论上深化和扩展对量子力学理论的诠释,还把对量子理论的探讨范围从微观领域拓宽到大尺度的宇宙,更把这一研究推进到哲学高度,从对“量子真实”的探讨扩展到“物理真实”,以致深入到人们对“这个世界究竟是什么”及究竟“能对这个世界说些什么”等一系列哲学根本问题的认识上来。

在实验上,更把量子力学研究从原来的“软件”尺度,即以数学推演、思考、思辨及对话研究为主,推向“硬件”尺度的大规模实验研究与技术应用上来。事后的发展证明,量子力学是20世纪馈赠给21世纪的一份弥足珍贵的厚礼。

首张量子纠缠图像

1928年7月28日,约翰·贝尔(John Bell)出生在北爱尔兰的贝尔法斯特。少年贝尔极具天赋,他喜好读书,几乎无所不知如一部“百科全书”,同学们戏称他“教授”。由于家境贫寒,其他兄弟姐妹很早就辍学谋生,唯独贝尔受教育的时间最长。进入20世纪50年代,贝尔通过自学通晓量子力学和粒子物理,但为了减轻家庭负担,他从贝尔法斯特皇后大学毕业后,不得不在英国原子能研究所找到一份薪水微薄的工作。

1960是贝尔人生转折的一年,他与妻子一起受聘到日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN)。在这里,贝尔的工作方向是粒子物理,白天他做分内的工作,有时加班很晚,回到家中,在夜深人静时,把时间花在喜爱的量子理论,尤其是他迷上的量子“多重态”与“纠缠态”的理论研究。他自己也没有料到,正是这个业余爱好,使他后来一举成名。

贝尔接受皇后大学学位时的照片

贝尔常利用休年假的机会,带着研究中的问题来到斯坦福大学、伊利诺伊大学和布兰迪斯大学访问。1964年,在《物理学》杂志上,他发表了一篇题为“EPR佯谬研究”(On the Einstein Podolsky Rosen paradox)的论文。在这篇论文里,贝尔首先假定爱因斯坦的“局域性”原理成立,然后就EPR提出的条件,推导出一个重要的结果,这就是著名的贝尔不等式。

贝尔不等式相当于给出一个评判标准,如果任何实验证实这个不等式成立,就说明爱因斯坦所坚持的“局域性”是成立的。在论文中,贝尔还提出一个以光子的偏振态来证实纠缠现象的假想实验。贝尔为量子纠缠态的神秘现象确立一个现实的研究方向,由此一跃进入物理学前沿,成为量子纠缠研究的关键人物。

自贝尔之后,很多物理学家利用各种实验试图证实贝尔不等式,但所有至今完成的实验结果,都违背贝尔不等式,因此都证明爱因斯坦所一再强调的“局域性”是不存在的,这些实验推动量子纠缠态的研究取得巨大成功,其中值得一提的是阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)的工作,他的成果不仅是众多研究中最为优秀的一个,所揭示的问题也更深刻,同时影响更深远。

阿兰·阿斯佩

在欧洲,阿斯佩被物理学界公认为是对贝尔理论理解最深入的人。他不仅成功地实现惠勒的“延迟选择实验”,他所领导的研究组在量子纠缠态的实验研究中也做出最为卓越的贡献。

阿斯佩仔细研究EPR假想实验的每一步。他认为,如果能做成一个实验,设法阻止两个纠缠粒子之间有“即时信号”联系,但是实验结果表明这两个纠缠粒子仍在联系时,就证明爱因斯坦的“局域性”不再成立。有这个想法的时候阿斯佩年仅27岁,正在巴黎大学的奥尔赛读研究生。他决定以这个实验为基础撰写他的博士学位论文。为了实现这个梦想,他亲自跑到日内瓦找到了贝尔。贝尔问他:“你现在有没有固定的工作职位?”当贝尔得知,这个年轻小伙子连学位也没有拿到时,不由替他担心起来。这个实验不仅难度极高,要求的灵敏度也极大,实验的设计思想更不能有任何瑕疵。他对阿斯佩说:“你一定是一个相当有勇气的年轻人!”说完这句话,贝尔把后面要说的话咽了回去,他想警告阿斯佩,这件事肯定会毁了他的前程。

阿斯佩设计的实验的确非常漂亮,然而实现起来难度确实极高,又独具风险。为了有足够长的实验通道,他和同伙选择在巴黎大学的地下室进行。从实验设计、清理实验场所到准备器材,所花的时间比预期要长得多。他们选择激光器、计算机、偏振器和光信号灵敏开关后,一次次地反复调试,直到1982年初才开始进行正式的实验,最后终于在1982年6月22日这一天获得了成功。

实验装置如图

阿斯佩使用的是钙光源S。把钙原子激发到一个很高的能态后,在它回到一个低能态做单次跃迁时,同时释放出一对反向运动的光子,这两个光子呈现偏振关联的纠缠态。他们同时设法使两个偏振器P的偏振方向也呈现某种关联,如果两个光子真是呈现偏振关联,沿着一个方向行进的光子通过偏振器时,另一个方向的光子也一定也同时通过另一个偏振器,也就是说,两个光子要么全通过,要么就全不通过。为了防止两个光子彼此发生这种关联态间的信号联系,需要加大两个偏振器P间的距离,这是实验的关键点。在巴黎大学的地下实验室,他们使偏振器P与光源S的距离增加到了6米,在两个光子分别到达偏振器的那一刻,它们要想发生信号联系,最快的光信号至少需要40纳秒,即四十亿分之一秒,然而在它们之间距离超过12米的情况下,即使它们用光信号,在这个时间内也是不可能发生联系的。为了控制入射的是单个光子,还得再装设一个开关,允许在一定的时间间隔内,一次只允许一个光子进入。

为了验证爱因斯坦对量子力学理论“非局域性”挑战正确与否,他们把两个偏振片之间的距离增加到13米,此外又采用声光调制器控制的量子开关,使偏振片可以迅速地移入或移出,其中的时间间隔恰好是光传输这13米的时间,即43纳秒。阿斯佩设计量子开关时间是6.7到13.3纳秒,这样就排除了两个光子在进入开关前有相互联系的情形。

随后,为了进一步消除实验的系统误差,他们又进行改进,采用光子双通道的方案,使光子先经过一道闸门K,然后再进入偏振片,K可以改变光子的方向,引导它去向两个不同的方向。最后把四个通道的测量数据汇总到监测器D中进行复核处理。这一实验的结果发表在当年12月20日的《物理评论快报》上。

阿斯佩实验组的实验设计思想之精巧,器材配合之精良堪称一绝,同业人无不赞叹。最后,他的结果以非常高的精度证实两个纠缠粒子状态间的关联是不需要时间的,量子力学规律是“非局域性”的,这一结果非常惊人。1983年,在阿斯佩的博士论文答辩会上,贝尔亲自到场,考察阿斯佩的实验,对他的这一成果赞叹不止,称之为“具备诺贝尔物理学奖水平的最优秀论文”。

阿斯佩研究组的这一成功具有很特殊的意义。它不仅毋庸置疑地证实量子力学的“非局域性”,实验本身也具有开创性,使巴黎大学在以后十几年中始终成为量子力学实验领域的中心。多年以后,当阿斯佩回忆起他们在20世纪80年代所完成的这一系列实验时,不无自豪地说:“在那一时期,'我们所做的这些事意味着什么’还不被人所熟知,但是我们的工作引起了人们的注意,这是使我们感到自豪的事。”

在阿斯佩实验成功的鼓舞下,从20世纪80年代起,世界各地的纠缠态实验如雨后春笋般地发展起来,这为量子力学的基础研究打下坚实的基础。

来源:《科学史上的365天》

作者:魏凤文 武轶

部分图源网络

编辑:张润昕

本文转载 自《原点阅读 》微信 公众号 

本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报
从APP上打开文章,阅读全文并永久保存 查看更多类似文章
[荐]  原创奖励计划来了,万元大奖等你拿!
猜你喜欢
类似文章
幽灵般的超距作用:纠缠态之谜
贝尔不等式的物理思想
科学中最深刻的发现—贝尔不等式,一个决定上帝是否掷骰子的公式
比黑洞照片更震撼!人类拍到第一张量子纠缠照片
波尔和爱因斯坦的世纪争论
量子十问之三:“爱因斯坦幽灵”能用来实现超光速通信吗?
更多类似文章 >>
生活服务
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!