传奇-39

上回讲到有人来找贝尔，这个人是自己从大老远的巴黎开车来找贝尔的。贝尔一看这人自己不认识，后来这个人自己介绍，他叫阿斯派克特。贝尔打听之后才知道他刚刚开始搞物理没多长时间，现在还是一个博士生。他以前去非洲喀麦隆当了三年的志愿者，在扶贫期间他就看了好多有关量子力学的书，特别是他对于量子纠缠和EPR特别感兴趣。志愿者结束后他立马拎包就回了巴黎，因为他本来就是法国人。回到巴黎后他立马考巴黎大学物理学博士生。巴黎大学不得了，笛卡尔、帕斯卡、拉瓦锡、柯西、居里夫妇及女儿女婿都是巴黎大学出来的。

巴黎大学

阿斯派克特知道检验贝尔不等式的第一个实验是由克劳瑟和弗里德曼在加州大学伯克利分校于1972年完成的，当然了还有其他人也参与。但其实这个实验是有漏洞的，而且结果并不那么具有说服力，所以阿斯派克特想自己搞出一个系列实验来验证贝尔不等式，他决定首先把克劳瑟等人的实验重复一遍，这只是第一步，后边还有第二步，第三步，反正要把之前克劳瑟他们几个做的实验的漏洞尽量给堵上。贝尔一听，心想好家伙，野心不小。这都三十几岁的人了，学物理其实也没多长时间，但是贝尔觉得他一定是一个非常大胆的学生！阿斯派克特计划分三步进行，第一步先要把克劳瑟的实验给重复出来，这个实验的关键的是获得纠缠光子。克劳瑟使用的办法效率太低了，大概100万个光子里面才出来一对纠缠光子，那能够产生的纠缠光子太稀少了。而阿斯派克特用了激光做光源，用激光来激励钙原子，这比当年克劳瑟的效率高多了，克劳瑟就是没用激光来干这事。说来也奇怪，克劳瑟背后站着的就是激光之父汤斯，这都没想到用激光吗？恐怕是有其他方面的问题。但是现在也过了10年，很多技术都已经得到了提高，完全可以用激光来做实验。光子有两个偏振方向，只要一检测，那么光子的偏振方向就决定下来了，这俩光子偏振方向必定是相互垂直的，这就是两个光子的纠缠态。他这个实验结果大幅度偏离了贝尔不等式，用激光做光源效果果然很好，它达到了9倍的误差范围，比当年的克劳瑟获得的数据高好几个等级，当年克劳瑟只是5倍的误差范围。说明这第一步成功了。第二步就需要是利用双通道的方法来提高光子的利用率，减少前人实验中的所谓侦测漏洞，这个实验也大获成功，最后以40倍误差范围的偏离，结果是违背了贝尔不等式的，再一次强有力地证明了量子力学的正确性，这下结结实实的打了爱因斯坦的脸。第三步是要玩一个当时最新鲜的东西，叫做延迟选择实验。所谓延迟选择实验就是要彻底断绝两个光子之间暗通消息的可能性，因为有一派理论是说这两个光子之间可以暗通消息，所以它们俩始终能协调一致，这个暗通消息不是说一定以量子的方式完成的，也可能是其他别的方式。按照量子力学的原理，量子纠缠是不依赖任何信号传递的，它依赖的是物理守恒，这一切都是瞬时的，而且没有任何办法可以屏蔽。因此贝尔就给出了个主意，先设定好两个偏振片，然后等两个光子飞过去，如果中间时间太长，那说不定就有机会给两个光子暗中通了消息。我们知道信息传递的速度上限是光速，那好办，先把两个光子的距离拉开，让光子往两边跑，那就跑远点，两个检偏器离开了13米。假如它们通过某种方式暗地里通信，按照光速也需要跑40纳秒。我们在两个光子的检验器之前加个偏振片，偏振片还可以用电控制，就可以瞬间改变偏振片的方向，花的时间只要10纳秒。估算一下时间，两个纠缠光子已经各奔东西了，飞到了偏振片前面，偏振片瞬间改变方向，这两个光子要想临时串通也已经来不及了。假如在这么苛刻的情况下两个光子仍然始终是相反偏振的，那么就说明它们肯定不是靠传递信息来保持协调一致的，而是靠的量子本身的特质。再说的通俗一点，两个双胞胎传说有心灵感应，是真是假做个试验就知道了，那么就需要设计一个没有漏洞的检测方式。首先要两个人严格隔离，而且离得很远以防止两个人传纸条打手势作弊。考试题目都是随机出的，而且两个人提问回答速度要非常快，快到他们想传递消息时间都不够用。假如他俩回答的总是一致的，那么就说明他俩真的有心灵感应，如果他俩手忙脚乱的，答案都对不上，那么就说明他俩没有心灵感应，他俩过去是靠作弊有的心灵感应，这就是延迟决定的原理所在。当然了，阿斯派科特他们做实验的时候也做了一边放偏振片，一边不放的情况，还做了都不放偏振片的情况，反正各种可能都考虑到了，最后得到的结果仍然不符合贝尔不等式，所以说量子纠缠是真实存在的，起码两个光子的纠缠是真实存在的。这个实验基本上是判了爱因斯坦理论的死刑了，大家现在普遍都认为量子力学是完备的。但是因为阿斯派克特的实验也还不算是完全没有漏洞，爱因斯坦的理论还没彻底死透气。所以到现在为止，大家仍然在不断地寻找更加严密的贝尔实验的方式，直到最近才完成了无漏洞的贝尔实验。但是这个所谓的无漏洞，非要鸡蛋里挑骨头也还是能挑出来毛病。所以实验物理学家们还会再接再厉的把这个实验做下去。

讲到延迟决定实验，那可不是贝尔和阿斯派克特首先想出来的。首先想出延迟实验的是哥本哈根时代最后一位物理学大师约翰·惠勒提出来的。这个惠勒是美国人，三十年代在玻尔的哥本哈根理论物理研究所待过，而且跟玻尔一起用液滴模型解释了核裂变的原理。他后来回到了美国，很积极的参与了原子弹工程。他是费曼的老师，其实他仅仅比费曼大7岁，他还是基普·索恩的老师，基普·索恩就是因为引力波观测方面和LIGO探测器方面的贡献，成为2017年诺贝尔物理学奖的得主。他搞出来虫洞，那也是有老师惠勒的贡献。惠勒开始不相信有黑洞存在，后来奥本海默拉着惠勒一顿解释，惠勒恍然大悟，立刻变成了黑洞理论的支持者，黑洞这个名字就是他起的。后来他支持年轻的学生贝肯斯坦提出黑洞表面积跟熵之间的联系。他们认为黑洞表面积就是熵。开始霍金搞出面积定理还不同意他们的观点，但是后来脑袋凉快下来以后，霍金转过弯而来了，觉得师徒俩还是有道理的，仔细研究下去，果然发现，黑洞是有熵的，黑洞是有温度的，黑洞会发出辐射，这就是所谓的霍金辐射。所以这个发现非常有意思，过去我们认为引力就是引力，温度就是温度，一个是热力学一个是相对论这俩都挨不上，后来发现引力跟温度好像是有关系的，所以这是一个非常重要的发现。埃弗莱特也是惠勒的学生，他在惠勒指导下做的博士论文，他提出宇宙平行的量子结构正在无止境地分裂着，惠勒称这个想法为“多世界”，而这个理论也成为了无数宇宙学家和科幻小说作者的最爱，这就是所谓的平行宇宙理论，现在物理学家也多数偏向于平行宇宙解释，而不是旧版本的哥本哈根解释。惠勒很喜欢和年轻人一起搞研究，他好多论文就是他拉年轻人俩人一起搞的。他非常支持年轻人的疯狂想法，比如黑洞、虫洞、量子泡沫、平行宇宙这些都很疯狂。费曼评价他的老师惠勒就说惠勒一直很疯狂。总之这个惠勒是个非常好的老师。他跟爱因斯坦的私交很不错，爱因斯坦比惠勒大了32岁，他们可以算是忘年交。后来惠勒1976年从普林斯顿大学退休了，退休后去了德克萨斯大学。

惠勒年龄大了，不可能再像年轻时候那样冲锋陷阵了，而且人老了难免喜欢怀旧，他就回忆过去爱因斯坦和波尔的争论，爱因斯坦和波尔的争论他是一直萦绕在心头的，他开始思考量子力学的最根本的问题。他当年跟爱因斯坦聊天的时候爱因斯坦非常沮丧，他甚至有一次问惠勒，如果人们都不去看月亮的话，那月亮还会不会在天上？月亮还存在吗？这就是个很伤感的问题了。到1979年，在这年爱因斯坦诞辰100周年的纪念研讨会上惠勒做了发言，他就提出了延迟选择实验，这个实验其实是双缝干涉实验的变形。大家总是关心双缝干涉实验，一个光子到底是通过了左边这条缝还是右边这条缝，现在惠勒把它改了，惠勒就不用两条缝了，他用半透明的镜子。光子打上去要么被反射，要么穿过去，概率是一半对一半，算是代替了双缝，然后再加两个全反射镜，分别调整两条光路让它们交叉，后边有两个探测器。前端一个光子一个光子的发出去，光子要么被反射，走的是光路A，探测器A接收到一个光子。光子要么透射过去，走的光路B，探测器B接受到光子。反正一个个的光子发出去，总归两个探测器是一边一半。两个光路有一个交叉路口，假如在光路的末尾，光路A和光路B交汇的地方再插一个半反射的镜子，使得光路A和光路B的光产生干涉，只要仔细调整两个光路的距离就可以使得探测器A永远收不到粒子，因为两束波相互抵消了，而探测器B每次都能收到粒子，这里波粒二象性就体现出来了。假如放进了第二块半透镜仔细调整，真的实现一个探测器永远收到光子，另一个永远收不到光子，那么就说明单光子是自己跟自己干涉，哪怕只有一个光子，起码也是同时走了两条路径到达探测器的。这就是波粒二象性，既是粒子又是波。

这还不算毁三观的，假如玩个延迟决定。第二块半透镜，我们可以延迟决定放进光路里面，一个单光子已经跑出来了，我们估算它已经跑过了路程上所有的反射镜，就快到十字路口了，我们突然把第二块半透镜插进去会出现什么现象呢？按照哥本哈根学派的理解，应该是跟一直插在那里没两样，那么这事就变得很诡异了。正常情况下不插第二块半透镜，那么光子应该是随便选了路径A或者路径B，假如插了第二块半透镜那么单光子就应该同时跑过了路径A和路径B。假如戏弄一下光子，光子快跑到了，突然把半透镜插进去，光子立刻从随机选一条路的情况变成了同时通过两条路，它什么时候回去重新跑的？但是再往下引申，更加毁三观的解释是后面的动作改变了过去的事，要这么办的话因果律要完蛋了。惠勒的这个实验当时是个思想实验，但是这实验实际上是有可行性的和实用性的。这个实验在5年之后就是1984年，马里兰大学的卡洛尔.阿雷和其同事做了延迟实验，验证了惠勒的设想，与此同时慕尼黑大学也作出了类似结果。所以我们现在知道了，量子世界的事真不能拿宏观世界的规律来生搬硬套。后来有哲学家总结，惠勒把量子力学的测量行为和时间本性之间的关系突出地表现出来，把哥本哈根学派的思想推到了逻辑上的极致。

延迟决定实验

就在1979年，天文学上有了一个非常大的发现。在遥远的宇宙里面，发现了两颗类星体0957561A和0957561B，这两个类星体的距离简直是紧挨在一起，而且看看光谱完全一样，光谱就相当于类星体的指纹，亮度完全一样，看上去怎么都是同一个家伙的两个镜像。现在基本确认，这两个类星体其实是同一个，它为什么看上去会是两个呢？。这个类星体离我们有87亿光年之遥，但是在中途37亿光年的地方，有个星系，这个星系现在也被观测到了。遥远的类星体发出的光，路过中间这个星系的时候，因为巨大的引力，光线发生了弯折，导致我们从地球上看起来，像是两个类星体。那么好了，惠勒立刻想出了一个办法，一个引力透镜现象把遥远的星光劈成了两束，这太好了，就用这个天体来当光源，用这个光源来搞一把延迟选择实验。要知道啊，87亿光年啊，光子都要飞到你这了，你弄个半透镜一插进去，光子难不成穿越回去重新飞一遍？那是不可能的。可是透镜这一插，光子形态瞬间就改变了，从原来随机选择一条路变成同时走过两条路。要是这个实验也符合哥本哈根学派的解释，那么就不得不让人叹为观止啊。而且这个实验还有重要的寓意在里面，引力导致光线偏移是广义相对论的范畴。用广义相对论的现象来验证量子力学，不得不说是个非常绝妙的主意，而且也预示着宏观与微观可能是统一的，但是这只是一个猜测，到现在还没任何结果。惠勒1979年就提出了延迟选择实验。巧的是，发现类星体的引力镜像现象也是在1979年。1979年，还有一件事比较值得关注，那就是有三个人拿了这一年诺贝尔物理学奖了，他们的贡献开启了统一之路。欲知后事如何，请看下回分解。