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正传:39.延迟选择

上回讲到,有人来找贝尔。这个人自己大老远的从巴黎开车来找贝尔。贝尔一看不认识啊。到底是谁啊?来的这个人自己介绍,他叫阿斯派克特。贝尔一打听才知道,这家伙刚刚开始搞物理没多长时间啊。他以前去非洲喀麦隆当了三年的志愿者啊。他去非洲扶贫了。在扶贫期间,他看了好多有关量子力学的书籍。特别是对于量子纠缠和EPR感兴趣。干完了志愿者。他立马拎包回了巴黎。他本来就是法国人。回了巴黎,立马考巴黎大学的物理学博士生。巴黎大学那还了得啊。笛卡尔、帕斯卡、拉瓦锡、柯西、居里夫妇及女儿女婿那都是巴黎大学出来的啊。


阿斯派克特(Alain Aspect)2013

阿斯派克特知道检验贝尔不等式的第一个实验是1972年由克劳瑟和弗里德曼在加州大学伯克利分校完成的,但实验有漏洞,因而结果不那么具有说服力。所以啊,阿斯派克特要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给重复一遍。这只是第一步啊,后边还有第二步,第三步。反正要把先前克劳瑟他们几个做的实验的漏洞给尽量堵上。贝尔一听啊,好家伙,野心不小啊。三十几岁的人,学物理其实也没多长时间啊。贝尔觉得,这一定是一个非常大胆的学生!

阿斯派克特计划分三步走啊。第一步先要把克劳瑟的实验重复出来。最关键的是获得纠缠光子。克劳瑟的办法效率太低了。大概100万光子里面出来一对纠缠光子。能够产生的纠缠光子太稀少啊。阿斯派克特用了激光做光源,用激光来激励钙原子。这可比当年克劳瑟的效率高多了。克劳瑟就是没有用激光来干这事儿。说来也奇怪,克劳瑟背后站着的就是激光之父汤斯啊。这都没想到用激光吗?恐怕是有其他方面的问题。但是现在也约莫过了10年了,很多技术都已经提高了。完全可以用激光来搞。光子有两个偏振方向。只要你一检测。那么光子的偏振方向就决定下来了,这两个光子偏振方向必定是相互垂直的。这就是纠缠态。

他的这个实验结果,大幅度偏离了贝尔不等式,用激光做光源,效果果然很好。达到了9倍的误差范围。比当年的克劳瑟获得的数据高了好几个等级。这第一步是成功了。

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倍于误差范围的偏离,违背了贝尔不等式,再一次强有力地证明了量子力学的正确!结结实实的打了爱因斯坦的脸啊。

第三步呢,要玩儿一个当时最新鲜的东西,叫做“延迟决定”。所谓的延迟决定实验,就是要彻底断绝两个光子之间暗通消息的可能性。万一,两个光子之间能够暗通消息,那么这个实验从逻辑上讲就有漏洞了。按照量子力学的原理,量子纠缠是不依赖信号传递的。它依赖的是物理守恒。也没有任何办法可以屏蔽。所以,贝尔就给处了个主意。你设定好了两个偏振片,然后等着两个光子飞过去,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。那么好办了。先把两个光子的距离拉开。两个检偏器离开了13米,两者假如通过某种方式暗地里通信,需要跑40纳秒,最快是光速嘛。我们在两个光子的检验器之前加个偏振片,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,飞到了闸门前面,闸门瞬间改变方向。那么两个光子要想临时串通已经来不及了。假如在这么苛刻的情况下,两者仍产是相反偏振的。那么就说明,他们肯定不是靠传递信息来保持偏振方向相互垂直的。而是靠的量子本身的特质。

再说的通俗一点儿。两个双胞胎,据说有心灵感应。是骡子是马拉出来溜溜。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。而且离得够远。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,互相对不上茬。那么就说明他俩没有心灵感应。他俩过去是靠作弊的。这就是延迟决定的原理所在。

当然他们做实验的时候,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。仍然是不符合贝尔不等式。量子纠缠是真实存在的。

这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啊。爱因斯坦的理论还没彻底死透气儿。到现在,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。但是这个所谓无漏洞,恐怕你非要鸡蛋里挑骨头,也还是能挑出来毛病的。实验物理学家们还会再接再厉的把这个实验做下去的。


约翰.惠勒

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。而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。后来回到了美国。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。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。后来它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。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。艾维特也是惠勒的学生。他在惠勒指导下做的博士论文提出,与宇宙平行的量子结构正在无止境地分裂著。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。惠勒很喜欢和年轻人一起搞研究。他非常支持年轻人的疯狂想法。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,惠勒一直很疯狂。

总之啊,这个惠勒是个非常好的老师。他跟爱因斯坦的私交很不错啊。爱因斯坦比惠勒大了32岁,可以算是忘年交。惠勒1976年从普林斯顿大学退休了,后来去了德克萨斯大学。年岁大了,不可能再像年轻时候那样冲锋陷阵了。人老了难免喜欢回忆过去。爱因斯坦很沮丧,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?爱因斯坦和波尔的争论,他是一直萦绕在心头盘桓不去。他开始思考量子力学的最根本的问题了。

1979年,几年爱因斯坦诞辰100周年的纪念研讨会上。惠勒做了发言。他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。双缝干涉实验大家总是关心,光子到底是通过了左边这条缝还是右边这条缝,现在惠勒给改了。惠勒用半透明的镜子。光子打上去,要么被反射,要么穿过去。几率是一半对一半,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,后边摆两个探测器。然后一个光子一个光子的发出去。要么被反射,走的是光路A,探测器A接收到一个光子。要么透射过去,走的光路B,探测器B接受到光子。反正呢,你一个个的光子发出去。总归是一边一半。探测器A和探测器B一人接受到了一半光子。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。探测器B,每次都能收到粒子。

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。这还不算毁三观的呢。假如,玩儿个延迟决定。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。我们估摸着已经跑过了路程上的反射镜了。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。那么这事儿就变得很诡异了。我不插第二块半透镜,那么光子应该是随便选了路径A或者路径B。假如我插了第二块半透镜,那么单光子就应该同时跑过了路径A和路径B。假如我戏弄一下光子。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,变成了同时通过两条路啊。它什么时候回去重新跑的啊?更加毁三观的解释是,我现在的动作,改变了过去的事儿。因果律要完蛋啊。

大家如果对延迟实验有兴趣,不妨去网络上自己搜索一下。毕竟音频节目没办法画图演示,我不希望由于我语言表达的限制弄得大家一头雾水,真有兴趣的话,最好大家还是去搜索一下延迟选择实验。惠勒的这个实验是个思想实验。但是有实用性。这个实验是可以在现实世界来做的。5年之后,马里兰大学的卡洛尔.阿雷(Carroll Alley)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。所以我们先在知道了,量子世界的事儿你真不能拿宏观世界的经验来生搬硬套。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。


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,发现了两个类星体0957+561A和B。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,亮度完全一样。看上去怎么都是同一个家伙的两个分身。现在基本确认,这两个类星体其实是同一个。离我们有87亿光年之遥。但是在37亿光年的地方,有个星系。这也被观测到了。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,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。你半透镜一插进去。光子不远万里飞到地球,人家难不成穿越回去重新飞一遍?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。而且这个实验还有某种寓意在里面。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。

惠勒1979年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,还有一件事儿比较值得关注。那就是有三个人拿了诺贝尔物理学奖了。他们的贡献开启了统一之路……

下回再说!


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