10月4号重阳节下午,科学网以直播形式播放了2022年诺贝尔物理学奖的发布现场。斯德哥尔摩的瑞典皇家科学院宣布,将2022年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家阿斯佩克特(Alain Aspect)、美国实验和理论物理学家克劳泽(John F. Clauser)和奥地利科学家泽林格尔(Anton Zeilinger),以表彰他们“用纠缠光子进行的实验,确立了贝尔不等式的违反,并开创了量子信息科学”(for experiments with entangled photons,establishing the violation of Bell inequalities and pioneering quantum information science)。 阿斯派克特、克劳泽和泽林格尔的工作,通过对“贝尔实验”的分析,证实和阐释量子现象的独特性质——非定域性和量子远程关联的纠缠态,也决定性地否定了玻姆隐变量的存在,肯定了现有量子力学理论的正确性,所以意义深远。它对进一步肯定和加深对量子力学的理解,发展在量子信息,尤其是量子通信和量子计算方面的应用,更是有着广阔的前景。1.量子现象中的非定域远距离关联关于非定域远距离关联,指的是这样一件事情。考察粒子(光子或电子等)通过双狭缝后在屏上形成的干涉花样,当堵住一个缝而让粒子只通过另一个缝时,干涉花样将立即变为衍射花样。可以设想,如果这两个缝相距相当远,它们之间是类空间隔(即它们之间不可能交换信息而实现因果联系),一个缝被堵住的信息是如何瞬时地传达到另一个狭缝处的呢?如果确有信号在它们之间传递,那是违背相对论的定域因果性原则的。问题的严格表述要从所谓EPR论证(或EPR佯谬)说起。1935年,爱因斯坦和波多耳斯基 (B. Podolsky)、罗森(N. Rosen)共同发表了一篇题为“能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?”的文章(见许良英等编译《爱因斯坦文集》(第一卷),商务印书馆(1976):328-335),认为:如果现今的量子力学是正确(自洽)的,那么它就一定是不完备的,因为理论中没有完全包括物理实在的每一个元素所对应的物理量(测不准关系,或称“不确定度关系”)。当然,要辩明这一问题,首先得明确定义到底什么样的理论才算是“完备”的?EPR(爱因斯坦、波多耳斯基、罗森三个人姓名的首字母)认为:如果物理实在的每一个要素都在物理理论中有它的对应量,那么这个理论就是完备的。而如果对物理系统不作任何干扰,就能确定地预言一个物理量的值,那么这个物理量就是物理实在的要素。换句话说,客观实在性与人们的观测无关。另外,还须认定满足相对论的定域性原则,即自然界不存在超距作用,没有超光速信号。EPR论证大致上是这样的:为简单起见,假定现在有一个动量为零的复合粒子系统,在t = 0到t = T这段时间分裂为两个粒子Ⅰ和Ⅱ,在T时刻已远离不再有相互作用。现在测量Ⅰ的动量为P,根据量子力学中仍然有效的动量守恒定律,对Ⅱ不用进行测量就可以知道它的动量是-P,因而Ⅱ的动量是物理实在的一个要素。另一方面,测量Ⅰ的坐标,根据复合系统的波函数,又可以对Ⅱ不加测量地预示为,因而Ⅱ的坐标也是物理实在的一个要素。如果量子力学理论是正确的,测不准关系成立,Ⅱ就不能同时具有确定的坐标和动量。由于坐标和动量都是可以观察度量的物理实在的要素,因而一个完整的理论二者皆应包容其中。根据理论的完备性判据,物理实在的所有要素现在在量子力学中并不同时都有对应量,而且这与测量无关。因而,量子力学是不完备的。
电子的双缝干涉实验:电子和所有微观粒子一样都具有波粒二象性。当一群电子(或者一个一个电子多次发射)通过双狭缝时,电子将携带着概率波的信息,以波的形式通过双缝,在屏幕上形成电子数密集分布的干涉条纹。上文发表后不久,玻尔便迅速地作出了反应。为了加强针对性,他以同样的标题撰文反驳。其要点是不同意EPR的实在性判据,即认为不可能有无干扰的测量。物理量本来就是和测量仪器、条件与方法紧密联系着的。任何量子测量的结果使我们得到的并不只是对象客体的信息,而且包含着关于这个客体浸没在其中的实验环境的整体信息。观测者的实验意图、实验安排、实验手段等,这些也可被认为是一种“干扰”,它不单要干扰Ⅰ,还要影响Ⅱ。测量对象和测量仪器、测量手段共同构成了一个不可分割的整体。两个曾经相互作用过的粒子Ⅰ和Ⅱ是相互关联着的一个不可分割的整体,即使它们分离得再远也将仍然是不可分离地相互关联着的。对第Ⅰ个粒子的测量不造成对第Ⅱ个粒子影响的前提是不成立的。系统的这种整体性量子关联是基本的,而把系统看作是由彼此可以分离、并加以单独描写的部分所组成的观点则只能是一种经典近似。这就从根本上改变了关于整体和部分相互关系的观念。由于在这里不存在关于信号传递的问题,因而它与相对论中的定域性原则相矛盾的问题也就不存在了。然而,量子力学的统计特征总让人感到有些不自在,使人们难以彻底接受。玻姆(David Joseph Bohm)等人的隐变量理论就是企图在量子领域消除统计性而恢复单值决定论的一种努力(关于玻姆的隐变量理论,可以参考洪定国《物理学理论的结构与拓展》,科学出版社(1988):§4.2,-4,-5,-6)。隐变量理论认为,在深一层次中,对单个系统的测量不存在测不准关系,它只是一种量子涨落的统计结果。隐变量理论对于远距离关联的解释是:两粒子的隐变量彼此有联系,它们通过这种内禀性质携带着指示它们到达给定仪器时应如何行动的信息,而在不同的实验装置中有不同的行动。这里不存在观测对象与测量仪器之间不可控制的相互作用。为了将是否存在定域隐变量的问题付诸实验以做出判定,贝尔 (John Stewart Bell)从隐变量存在的假定出发,根据可分离原则,导出了一个两粒子自旋系统的不等式,即贝尔不等式(出自他1964年的论文“On the Einstein Podolsky Rosen Paradox”)。比如讨论一个由两个光子或电子那样的粒子1和2所组成的总自旋角动量为零的单态系统。当它们向相反方向飞出很远时,由于角动量守恒,第1个粒子如果是右旋偏振的,那么第2个粒子也将不受影响还是右旋偏振的(这句话是怎么回事?一个是右旋,另一个不应该是左旋吗?还有为什么要说不受影响?)。当然也可以把它们分解成线偏振态的叠加,实际上有时测量线偏振态可能更方便一些。由此导出了遵从隐变量理论的贝尔不等式,其原始形式为:︳P(a,b) - P(a,c)︱≤ 1 + P(b,c),式中P(a,b)称为粒子1和粒子2的“自旋关联” 函数,它的定义是:粒子1沿单位矢量a方向的自旋分量 与粒子2沿单位矢量b方向的自旋分量二者测量值之积的统计平均值。作同样的理解。他证明了,量子力学的“自旋关联”是与贝尔不等式矛盾的。换句话说,一个定域隐变量理论不能复现量子力学的结果(这被称为“贝尔定理”)。要么贝尔不等式正确,要么量子力学正确,二者必居其一。自1972年以来已经做过的十五个以上的实验中,只有早期(1973,1974)两个实验是和贝尔不等式一致的,而且其可靠性尚有疑问。也就是说,非常倾向于否决定域隐变量理论存在的可能性,而肯定量子力学的正确性。