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正传:37.四个人的纠缠

贝尔不等式已经提出来了。但是因为对实验条件要求比较高啊。一时半会儿的很难去做实验。加之上世纪60年代中期,夸克理论出来了。大家兴趣都在那边儿。大家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,并没有花太多的力气。这也是人之常情,大家认为不管你怎么诠释,也不妨碍继续计算。也不妨碍大型加速器去做实验。你能想象今天还有人会绞尽脑汁去设计实验来证明地球绕着太阳转吗?当然不会嘛。对于量子力学来讲,大家都已经习惯这种与经典力学完全不一样的模式了。还是留给少数的理论物理学家去慢慢讨论吧。包括贝尔在内,也不是在本职工作之内来搞出来的贝尔不等式。

可就是有人惦记着验证贝尔不等式呢。此人名叫克劳瑟,出生于物理学世家。他的父亲、叔叔、及家中几个亲戚都是物理学家,克劳瑟从小就听家人们在一起探讨争论深奥的物理问题,后来,他进了加州理工大学,受到费曼的影响,开始思考量子力学基本理论中的关键问题。他就跟费曼商量啊,咱么能不能搞出个实验来验证EPR和贝尔不等式啊。费曼听完了,直接蹦起来,把克劳瑟从办公室里给扔出去了。这是克劳瑟后来回忆的的时候说的。这当然又开玩笑的成分,说的比较夸张。但是你可以看到费曼的态度。肯定觉得这事儿多余去干。

后来克劳瑟去了哥伦比亚大学。他特别仰慕李政道。因为李政道也重视实验。而且哥伦比亚大学有吴健雄啊。当年第一对纠缠光子可是她和萨克诺夫搞出来的。克劳瑟立刻去了吴健雄实验室,找到吴健雄。向她打听20年前,他们怎么做的实验。这都隔了20年了叫人怎么想的起来啊。吴健雄没在意,让自己的研究生去跟克劳瑟聊了聊。克劳瑟意识到,根本不能用这样的方式来获得纠缠粒子。这个办法要想稳定的做实验,很难。克劳瑟想的入迷,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。现在倒好,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。”这叫人家怎么找工作啊。果然后来克劳瑟很长时间当不上教授。

克劳瑟觉得贝尔不等式需要进一步改进,现在还是不利于实验。纠缠光源最好用可见光。正负电子对撞的能量太大,产生的光子频率太高,这样是不行的。他写了一篇文章,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。也有人就惦记上贝尔不等式了。

有师徒俩还就对贝尔不等式充满了兴趣。老师教西莫尼,学生叫霍恩。西莫尼一直学习的是哲学。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。这已经是很不错的成就了。不过别人不知道的是,这个西莫尼内心埋藏着一个物理学家的梦想。他又到普林斯顿大学去攻读物理学。老师是尤金·维格纳。一个从匈牙利来的物理学家。后来移民美国。是费米搞核反应堆的助手。1963年,他获得了诺贝尔奖。西莫尼那些年比较累,经常要波士顿和普林斯顿两头跑啊。学成以后,他就不在麻省理工当教授了。人家去了波士顿大学。因为波士顿大学的物理系是跟哲学系一起合办的。因此你搞物理也行搞哲学也行,你混着来也行。这个西莫尼就感到真是如鱼得水啊。

西莫尼啥时候对量子力学感兴趣的呢?那是1963年的一次会议上。西莫尼去了,一看好家伙,大会主席是波多尔斯基。就是EPR论文中间那个P。爱因斯坦已经去世了,罗森又不在。就波多尔斯基在这儿呢。西莫尼一看全是名家啊。尤金·维格纳、玻姆,就是搞隐变量的那个玻姆。再一扭头,大神狄拉克也在啊。波尔去世了、薛定谔去世了、泡利去世了。海森堡不怎么出来。数数大神级别的也就这位狄拉克了。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”。刚说完话,西莫尼一看狄拉克站起来提问题。当时差点儿吓了个半死。不过,狄拉克问的是个简单的哲学问题:“唯我主义是什么?”。哲学那可是西莫尼的老本行。西莫尼立刻放心了。当然人家回答得出来啊,虚惊了一场。

西莫尼见了一堆的物理学大牛啊,信心大增,他把自己的讲话稿打印了好多分。自己掏钱到处邮寄。有一次他发现,自己的邮箱里面有一份贝尔的论文。他拿出来一看,立刻被贝尔不等式给吸引住了。换句话说,他也掉坑里了。跟克劳瑟一样。霍恩是西莫尼在波士顿大学的第一个研究生。这个研究生在接触了贝尔不等式以后跟他老师一样啊,也掉坑里去了。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。因此没这方面的训练。他们不得已,需要继续找到同伙才行啊。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。他们三个没赶上向1969年的物理学会年会提交论文。他们晚了一步。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。克劳瑟还定大度的,商量下来最后决定,论文用他们四个人的名字发表。

他们改进了贝尔不等式。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。用紫外线来照射钙原子,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(一钙原子为例,将辐射出波长分别为551nm的绿光光子和423nm的蓝光光子)。当然,量子力学嘛,一切都是概率。只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。克劳瑟发现这两个人做的数据还不够。需要进一步去做实验。他火急火燎的想把这个实验搞出来。这时候他想到了自己的师爷汤斯。这个汤斯可不是凡人啊。人家是诺贝尔奖得主。人家最大的发明是激光。今天啥东西能离开激光啊。光纤宽带不全靠激光啊。激光的用处太大了。师爷汤斯正在伯克利。他立刻申请做汤斯的博士后。这样不就去了伯克利了吗。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儿。其实已经给他开了绿灯了。时间上一半对一半吧。不过科协尔已经离开伯克利了。康明斯对这个实验没兴趣。那不行啊,来了就是为这个。师爷汤斯出手协调。由康明斯的学生弗里德曼来帮忙。实验团队正式成型,干活的是克劳瑟和弗里德曼。西莫尼、霍恩在背后支持他们。哈佛那边儿,还有霍尔特呢。无形中,分成了两个小组,在美国的东西海岸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儿的。他喜欢隐变量解释。他自掏腰包500美元。和别人打赌,自己会赢。霍恩觉得克劳瑟是不会赢的。但是他没参与打赌。西莫尼不表态。人家接受一切结果。远在东海岸的霍尔特倒是希望以此证明量子力学是完备的。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,用的不是钙,用的是汞。但是他的实验数据是支持贝尔不等式的。两边的人都郁闷。这到底怎么搞的呢。后来有人发现他实验里面有错误。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。这个结论贝尔本人也不会爽。毕竟他支持爱因斯坦的隐变量理论。

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。好多实验室被激发起了兴趣。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。下一次突破需要到十年以后才会有。


我们话分两头,20世纪60年代到70年代。贝尔实验只是小插曲,你看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。但是这东西好像没人看见过。如何证实夸克存在呢?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, 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。

1967年, 美国斯坦福大学直线加速器中心(SLAC) 建成一座长达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。美国能源部管的事儿可多了,连核弹研发都归能源部管理。这个项目1957年就开始酝酿,1961年终于获得美国国会批准,1962年7月开始建造。1966年2月加速器和实验区完工,1967年9月按计划不超支顺利完成建设,成功获得20G电子伏特的电子束流。

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。这台进行深度非弹性电子质子散射 实验得到了意想不到的结果。费曼刚好提出了“部分子”模型。按照这个模型,完全可以解释实验的结果。费曼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部分子模型和夸克模型。发现这两个是一回事儿。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。看看反弹的规律,你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。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很大而且很重的粒子,这是意外的收获。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?

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