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传奇-37

2018.05.07

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之前说到贝尔不等式已经提出来了,但因为对实验条件要求比较高,一时半会很难去做实验验证。加上上世纪60年代中期夸克理论出来了,大家兴趣也都转移到那边了,大伙对于核子内部的结构比较关心,相对于量子力学基础理论的诠释这方面并没有花太多的精力,不过这也是人之常情,大伙认为不管怎么诠释,不管是用哥本哈根解释还是多世界理论,也不会妨碍继续计算,也不会妨碍大型加速器去做实验。比如到今天也不会有人再绞尽脑汁去设计实验证明地球是绕太阳转的,而对于量子力学来说,大伙都已经习惯了这种与经典力学完全不一样的模式了,所以理论上的东西还是留给理论物理学家去慢慢讨论,这也包括贝尔在内。贝尔对这个东西非常感兴趣,但他也不是在本职工作内搞出来的贝尔不等式。

可就是有人惦记着要验证贝尔不等式,这个人叫克劳瑟,他出生在一个物理学世家。他父亲、叔叔和家中几个亲戚都是物理学家,所以克劳瑟从小就听家人在一起探讨争论深奥的物理问题,因此他很受家庭环境的影响。后来他进了加州理工大学又受到费曼的影响,就开始思考量子力学基本理论中的关键问题。于是他就跟费曼商量,我们能不能搞出个实验来验证一下EPR佯谬和贝尔不等式啊?费曼一听直接蹦起来把克劳瑟从办公室里给扔出去了,这还是克劳瑟后来回忆的的时候说的。当然他说这话有开玩笑的成分,说的比较夸张,但从这里可以看到费曼的态度,他肯定觉得干这事是多余的,是没有必要的。后来克劳瑟就去了哥伦比亚大学,因为李政道也重视实验,他特别仰慕李政道,而且哥伦比亚大学有吴健雄,当年第一对纠缠光子可是她和萨克诺夫搞出来的。克劳瑟到了哥伦比亚大学,他立刻去了吴健雄实验室找吴健雄。向她打听20年前他们怎么做纠缠的实验,这都隔了20年了叫人怎么想的起来啊。当时吴健雄也没在意,让自己的研究生去跟克劳瑟聊了聊。克劳瑟当时就意识到,看来不能用这样的方式来获得纠缠粒子。克劳瑟后来想的入迷,就把自己的主业给抛到脑后去了。他到哥伦比亚读博士,可不是冲着贝尔不等式来的,他的主业是跟着赛迪斯教授搞微波背景辐射方面的课题,这还是宇宙大爆炸方面的东西。现在倒好,他把主业给扔一边儿去了,满脑子的量子纠缠和贝尔不等式。这可要了命了,他老师对他不太满意。后来给他写的评语也不好,在推荐信里面直接了当的写上了“不要聘用这个家伙!因为只要一逮到机会,他就要去做量子力学实验中的那些垃圾工作。”推荐信都这么写,这叫他怎么找工作。果然到后来克劳瑟很长时间都当不上教授就是因为这个推荐信的过,不过后来他老师还是跟他道歉,这都是后话。克劳瑟觉得贝尔不等式需要进一步改进,现在的贝尔不等式还是不方便做实验。纠缠光源最好用可见光波段,这样实验起来更方便。如果正负电子对撞的能量太大,产生的光子频率太高,这样就不行。克劳瑟写了一篇文章就寄给了美国物理学会在华盛顿搞的年会,1969年物理学会的年会就要开了。就在克劳瑟准备论文的时候,英雄所见略同,也有人就惦记上贝尔不等式了。

克劳瑟

有师徒俩也对贝尔不等式充满了兴趣,老师叫西莫尼,学生叫霍恩。西莫尼之前一直学的是哲学,他25岁就从耶鲁大学拿到了博士学位,后来又在麻省理工当上了终身哲学教授,对于普通人来说这已经是很不错的成就了。不过这个西莫尼内心一直埋藏着一个当物理学家的梦想,所以他又到普林斯顿大学去攻读物理学,老师是尤金·维格纳。尤金·维格纳是一个从匈牙利来的物理学家,后来移民到美国,之前是费米搞核反应堆的助手,于1963年获得了诺贝尔奖。

尤金·维格纳

西莫尼那些年比较累,经常要在波士顿和普林斯顿两边跑。学成以后他就不在麻省理工当教授了,他去了波士顿大学,因为波士顿大学物理系是和哲学系一起合办的,所以西莫尼搞物理也行搞哲学也行,混着来也行,西莫尼就感到真是如鱼得水。西莫尼是什么时候对量子力学产生兴趣的呢?那是在1963年的一次会议上,西莫尼去了,一看大会主席是波多尔斯基,就是EPR论文中间那个P。那时候爱因斯坦已经去世了,罗森人又不在这,就波多尔斯基在这,西莫尼再往周围一看全是名家,尤金·维格纳、玻姆,就是搞隐变量的那个玻姆。再往另一边看,大神狄拉克也在。当时波尔去世了,薛定谔去世了,泡利去世了,海森堡在家宅着不出来,算大神级别的也就这位狄拉克了。后来大家分组讨论的时候维格纳让西莫尼发言,西莫尼发言的题目是“观察者在量子理论中的作用”。话刚说完西莫尼就看狄拉克站起来提问题,当时差点吓了个半死,毕竟西莫尼是半路出家学物理。不过狄拉克倒是问了个简单的哲学问题:“唯我主义是什么?”。要说哲学那是西莫尼的老本行,西莫尼立刻放心了,虚惊了一场。西莫尼见了一堆的物理学大牛之后,他信心大增,他把自己的讲话稿打印了好多份,自己掏钱到处邮寄。当然他这钱也没白花,有一次他发现自己的邮箱里面就有一份有关贝尔的论文。他拿出来一看,立刻就被贝尔不等式给吸引住了。他也跟克劳瑟一样掉坑里了。霍恩是西莫尼在波士顿大学里收的第一个研究生,这个研究生在接触了贝尔不等式以后跟他老师一样掉坑里去了,对这个问题就着了迷。可是这师徒俩谈理论还行,做实验就不擅长了,特别是西莫尼,他是从哲学转到理论物理的,哲学又不需要做实验,因此实验方面经验不多。他们不得已,需要继续找到同伙才行。好不容易在哈佛大学找到一个正计划做双光子相干实验的研究生霍尔特,三个人立刻就搅合到一起去了。他们三个他们晚了一步,没赶上向1969年的物理学会年会提交论文,这时候维格纳建议他们跟克劳瑟联系看看,他们就给克劳瑟打了个电话,两边在电话里聊的还挺投机的,克劳瑟还挺大度,商量下来最后决定论文用他们四个人的名字发表。

在论文中他们首先改进了贝尔不等式,现在的要求不像原来那么苛刻,他们提出一个新的办法来获得纠缠光子,就是用紫外线来照射钙原子。比如说某种晶体,晶体里含钙,这个电子可能会连跳两级,有可能被激励到高出2个能级的状态,然后当能量回落时就有可能连续回落两个能级而辐射出两个纠缠的光子。比如说就以钙原子为例,就有可能辐射出波长分别为551nm的绿光光子和423nm的蓝光光子,一对纠缠光子的颜色居然不一样。当然这是量子力学,一切都是概率,这是有概率出现纠缠光子。这个实验是加州伯克利的科协尔和康明斯做出来的。克劳瑟就发现这两个人做的数据还不够多,需要进一步去做实验。他很着急的就想把这个实验给搞出来,这时候他想到了自己的师爷汤斯,这个汤斯可不是凡人,他是诺贝尔奖得主,他最大的发明其实在今天大家都很熟悉,就是激光。今天的生活里很多东西都离不开激光,比如光纤宽带全靠激光,激光的用处太大了。他师爷汤斯当时正在伯克利,克劳瑟立刻申请做汤斯的博士后,这样就去了伯克利。到了伯克利,汤斯让他搞射电天文方面的东西,兼顾搞搞贝尔实验的事,这其实已经给他开了绿灯,时间上一半对一半吧。不过科协尔已经离开伯克利了,还剩一个康明斯,问了他之后结果他对这个实验没兴趣。那这样不行,毕竟来了伯克利就是为这个,所以最后请师爷汤斯出手协调,由康明斯的学生弗里德曼来帮忙做实验。弗里德曼和克劳瑟就组成实验团队了,干活的是克劳瑟和弗里德曼,西莫尼、霍恩就在背后支持他们,别忘了哈佛那边还有霍尔特。所以无形中他们分成了两个小组,一个在东海岸的哈佛,一个在西海岸的伯克利,他们分别开始向目标发起冲击。他们的目标又是什么呢?老实说克劳瑟还是站在爱因斯坦一边,他喜欢隐变量解释,他自掏腰包500美元和别人打赌,他觉得自己会赢。霍恩觉得克劳瑟是不会赢的,但是他没参与打赌,就是说他认为量子力学是完备的。西莫尼不表态,他接受一切结果,测出来怎么样就怎么样。远在东海岸的霍尔特倒是希望借此证明量子力学是完备的,因为大多数物理学家也认为量子力学是完备的。这个实验搞了好长时间,克劳瑟和弗里德曼终于在1972年公布了结果。累计试验时间两百多小时。纠缠光子对太难出现了,大概100万光子里面出来一对纠缠光子,比率太低了。克劳瑟很不爽啊,因为最后的结果不支持隐变量理论,实验结果违反了贝尔不等式。可是霍尔特也不满意啊,他在东海岸做实验,他用的不是钙,用的是汞。但是他的实验数据迟迟没有发表,因为他发愁,他的数据居然是支持贝尔不等式的,这两个小组没一个是满意的,两边的人都郁闷,这到底怎么搞的呢。后来有人发现霍尔特实验里面有错误,改进一下就好了,最后得到了支持量子论完备的结论。从现在看来,量子论是完备的,爱因斯坦错了。这个结论即便是贝尔本人也不会爽,毕竟他支持爱因斯坦的隐变量理论。但是这次实验被人诟病了好多年,因为这不是一个没有漏洞的贝尔实验,过低的光子利用率本身就是问题。不过好多实验室被激发起了兴趣,这个实验好像不难做啊我们做做试试,包括吴健雄实验室也做了这个实验。但是大家的结果大差不差,没有大的突破,毕竟结果大家心里都有谱,不是什么毁三观的答案。实验物理学家最喜欢做出那种以前没见过的东西的结果,理论物理学家看着这个东西就头疼。到下一次突破需要到十年以后才会有。话分两头,因为20世纪60年代到70年代,贝尔实验只是小插曲,大多数的参与者都是兼职的,本职工作都不是这个。那时候正是强子内部结构被发现和揭示的时代,夸克模型已经被提出来了,的确可以解释非常多的问题。但是夸克这东西好像没人看见过,如何证实夸克存在呢?但是没别的办法,只有大锤砸核桃,靠对撞机用蛮力给撞开。当然啦,还有很多人在想别的办法来验证夸克理论。人们用海水和陨石作实验,,探测宇宙射线啊,宇宙射线也是经过高能加速的, 还有运用各种高能加速器,,希望能找到夸克存在的证据。然而各种尝试最终都归于失败。说白了力气不够大,砸不开这个硬核桃。

激光之父汤斯

1967年, 美国斯坦福大学直线加速器叫SLAC建成了,这是一座长达3千米的电子直线加速器, 可使电子加速到20G电子伏特。这个加速器是直属美国能源部的,美国能源部管的事可多了,连核弹研发都归能源部管理。这个项目1957年就开始酝酿了,但是1961年才从国会那帮老爷那获得批准,获得批准才能拨款啊,不然哪来的钱。1962年7月开始建造,1966年2月加速器和实验区完工,1967年9月就按计划不超支顺利完成建设,而且实验一开启就成功获得20G电子伏特的电子束流。

SLAC

科学家们用这座加速器产生的电子来探索质子和中子的内部结构,他们当时搞的实验叫做深度非弹性电子质子散射实验,说白了就是拿电子往质子里头打,看能打出什么东西来,结果实验得到了意想不到的结果。费曼刚好提出了一个叫“部分子”模型。按照这个模型,完全可以解释实验的结果,因为电子打到质子上会弹回来,但是弹的轨迹还是比较奇怪的。费曼就用部分子模型来揭示质子、中子内的结构,后来大家仔细对比了费曼部分子模型和夸克模型,发现这两个是一回事,难怪费曼跟盖尔曼互相不服气呢。电子打进强子的内部,被反弹回来,我们只要看看反弹的规律就可以分析出内部的结构,夸克理论表现还是蛮成功的。现在夸克理论可以成功的解释一大堆的各种各样的强子,所以这个问题都解决了,大家未免都觉得有点沉闷。为啥呢?因为没有意外出现,也就意味着也没有惊喜啊。实验物理学家跟理论物理学家是不一样的,他们巴不得有新鲜的玩意儿被发现啊。很多的强子寿命都很短,大多数只有10^-16秒。各大加速器都在不断的撞啊撞啊,继续撞啊,但是好像也没啥新鲜的东西被发现。就从六十年代末到七十年代初一直是这个局面。突然间,在1974年,有两个小组都观测到了有质量很大而且寿命很长的粒子,这是属于意外的收获。沉闷的气氛一下子被打破了,他们到底发现了什么?又是谁发现的呢?请看下回分解。





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