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或许爱因斯坦错了,“正常”的物理学为何无法解释现实?

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西班牙拉帕尔马岛的罗克德洛斯·穆查乔斯山顶上的一个实验室,这是许多探索量子力学的人中最新、也是最雄心勃勃的一个。量子力学是一种难以理解的理论,描述了自然界最基本的工作原理。

通过6台望远镜、大量精密光学设备和数十亿年前星系发出的光,米尼克·劳奇(Dominik Rauch)试图验证爱因斯坦倡导的一个论断:量子力学的奇怪之处只是掩盖了一些更深、更隐蔽的现实。

当量子力学在近一个世纪前被提出时,它推翻了关于世界运作的两个特别宝贵的假设。首先是实在论。经典物理学认为世界是独立于观察者而存在的,而量子理论则不同,它强烈地暗示了现实不存在,或者至少在被观察之前是无法有意义地描述的。

第二个问题是“非局域性”。这源于纠缠现象--爱因斯坦称之为“幽灵般的超距离作用”,在这种现象中,时空中某一区域的事件似乎可以瞬间影响到其他地方的事件,甚至是光年之外。这与爱因斯坦的相对论相悖,在相对论中,任何影响的传播速度都不能超过光速。

对爱因斯坦来说,量子力学的反现实主义和非局域性意味着理论是不完整的。一定有一些隐藏的物理学能给出更好的解释。

甚至在1955年爱因斯坦去世后,这些争论仍在继续。1964年,北爱尔兰理论家约翰·贝尔(John Bell)终于给实验学家们提供了一种方法,让爱因斯坦的局域实在论与量子力学对立起来,看看哪种方法能更好地解释问题。首先,你会产生成对的量子粒子,比如光子,从量子力学的观点来看,它们是纠缠在一起的。然后,你将每个光子与它在太空中的同伴分离开来,并独立地测量每个光子的特定量子特性。

大多数这样的测试着眼于偏振,在两个方向中的一个方向测量。在经典物理学中,除了随机得到的结果之外,你会认为,对一对光子的测量结果之间不会有任何相关的联系。在贝尔的测试中,任何既保留现实又保持局域性的理论都只允许一定的最大相关量。与此同时,量子力学是非局域的,可以使相关量超过这个限制。



在20世纪70年代,实验终于完成了,答案似乎很清楚。贝尔的限制被打破了。

但是这些早期的实验仍然不能完全排除局域现实理论在幕后操纵的可能性。例如,如果运行实验的两个人A和B,如果他们的距离不够远,那么以光速传播的隐藏影响可能会导致A的测量影响B的测量,反之亦然。

除了这个“局域性漏洞”,还有一个公平的采样漏洞:如果A和B使用的探测器效率低下,而且只探测到光子的一小部分,那么他们样本中的某些东西可能会使结果偏向于不存在的相关性。还有一个自由选择的漏洞:贝尔测试的一个无懈可击的实现要求A和B可以完全自由地选择他们各自独立的测量设置。

到2015年,一系列的实验声称填补了这些漏洞,通过在空间中分离A和B,使用高效率的探测器,并使用独立的、超快的随机数发生器,A和B用这些发生器来确定实验设置。结果仍然是一样的。

但在2011年,堪培拉澳大利亚国立大学的迈克尔·霍尔(Michael Hall)已经提出,使用随机数发生器可能不足以弥补选择自由的漏洞。如果随机数产生器和光子源在过去的任何时候都通过隐藏机制相互作用,这可能会影响测量设置的选择,甚至可能影响光子的性质,从而产生观察到的相关性。霍尔的工作最终迫使实验者重新思考。他说:“我想对人们说,别再说量子力学实际上是非局域的了。”

但是你怎么能在实验中排除这种可能性呢?西班牙巴塞罗那光子科学研究所的摩根·米切尔(Morgan Mitchell)说:“当时有一种感觉,认为自由选择的漏洞是无法弥补的。”

米切尔和他的同事们想出了一个创新的答案:他们把探测器设置的选择外包给了玩电子游戏的人。在“大贝尔测试(Big Bell Test)”中,每个游戏玩家都需要快速生成0和1的序列,而机器学习算法则试图预测他们下一步会做什么。他们的序列越不可预测,游戏玩家的得分就越高。2016年11月30日,大约100,000名玩家生成了近1亿个随机数字,这些数字通过管道传输到五大洲的13个实验,进行不同版本的贝尔测试。

正如今年早些时候“大贝尔”测试团队所揭示的那样,所有的实验,加上12小时以上的随机数字,都打破了贝尔的限制。米切尔说:“如果我们假设人类拥有自由意志,那么我们就已经关闭了自由选择的漏洞。”

然而,这是一种让哲学家无法入睡的假设。有一种方法可以避免它。时空中的每一个事件,如A和B所做的测量,都有一个“过去光锥”:一个以光速或更慢的速度移动的隐藏的影响可以通过移动来影响它的时空体积。因此,你需要做的是确保用来选择测量设置的随机事件是来自尽可能遥远的过去,排除了这些杂乱无章的东西。

安德鲁·弗里德曼(Andrew Friedman)、贾森·加利奇奥(Jason Gallicchio)和戴维·凯泽(David Kaiser)脑力激荡的地方。凯泽说:“我们试图将随机数发生器外包给宇宙本身,让宇宙为我们工作。”

这个想法很简单,但很激进。A和B可以使用望远镜从遥远的天文物体接收光子,并利用每个光子的颜色来产生随机数位的测量设置。

例如,比某些阈值波长更红的光子可以在一个方向触发偏振测量,而更蓝的光子可以在另一个方向触发测量。通过使用宇宙学光子来确定测量设置,并证明贝尔界限仍然被打破,你可以证明,在光向地球传播的所有时间里,没有任何隐藏的影响可能会影响探测器的设置。

为了做到这一点,凯泽和他的同事们与来自奥地利维也纳的量子光学和量子信息研究所的安东·泽林格(AntonZeilinger)合作。他们的第一次实验把纠缠光子的来源放在波兹曼加斯市的研究所的屋顶上。像之前的所有其他实验一样,这个实验打破了贝尔的界限,表明任何隐藏的影响都不可能在现在起作用,或者在过去600年左右的时间里,也就是星光到达地球的时间里。



位于拉帕尔马的威廉赫谢尔望远镜是迄今为止量子现实最雄心勃勃的测试的一部分

但凯泽和他的同事最初提出的建议更有雄心。它设想使用来自数十亿光年外非常明亮的星系源,即类星体的光线。类星体是离我们最远的天体,仍然可以用光学望远镜看到。他们需要一个更大的望远镜。

就像在维也纳一样,实验需要三个地点,A和B都用望远镜连接起来,中间是纠缠光子的来源,三个人之间有一条清晰的视线。位于拉帕尔马(La Palma)的罗克-德洛斯·穆查乔斯(Roque De Los Muchachos)是一座布满望远镜的山,有着完美的配置。

1月中旬的一个晚上,两个望远镜锁定在对面天空中的类星体中,触发了A和B的测量设置。其中一个是78亿年前发出的光,另一个是122亿年前发出的光。研究人员能够收集和分析近18000对光子的数据。贝尔的界限又一次被打破了,而且非常严重。

由于类星体的光源在天空中的方向不同,它们过去光锥在过去仅重叠131.5亿光年。凯泽说,这就排除了任何地方的局域现实机制。

凯泽说,尽管实验封闭了局域性漏洞,并将选择自由的漏洞推向了极端。凯泽说:“我们甚至没有试图封闭公平抽样漏洞”。需要通过空气将光子从源传送到A和B,这意味着丢失了太多的光子,无法确保探测效率。

与此同时,中国科技大学的潘建伟带领的中国参赛队伍,试图封闭所有三个漏洞。利用光纤将光子从源端传输到A和B,将光子损失降到最低,这两处都位于上海市郊。为了产生随机数,研究小组使用了离我们11光年远的恒星发出的光,但潘建伟说:“我们的实验最终排除了实验前11年发生的局域性隐藏变量模型。”

两个团队现在都在考虑如何进一步推进,例如利用宇宙微波背景的光子,宇宙大爆炸遗留下来的辐射。这将是一个美妙的技术挑战,一个非常漂亮,非常艰难的实验。

不过,抛开这些琐事不谈,结论似乎已经很清楚了。对大多数物理学家来说,这并不令人惊讶,但我们不妨看看:爱因斯坦的局域现实宇宙,如果存在的话,已经被推到宇宙的一个很小的角落里去了。在其他地方,似乎很少有人怀疑量子力学或基于它的东西是对自然的正确描述。

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