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顶尖科学家实验探求量子力学中的“鬼”

随着量子计算、量子通讯等相关技术的发展,量子力学已经是现今科技发展的重要理论基石之一。

然而量子力学天生的随机属性,让它一直难以真正令那些决定论的支持者信服。这其中就有伟大的阿尔伯特·爱因斯坦。他首先拒绝承认“上帝会掷骰子”,而对于量子纠缠态表现出的反常识的超距作用,爱因斯坦对此的形容是“spooky”(韦氏字典的解释为1.吓人的,2.表示闹鬼的)。

而如今,一群全球顶尖的宇宙学家和量子物理学家在维也纳做了一个实验,他们使用恒星光线来控制纠缠态下的光子,试图进一步了解量子纠缠态发生的机理和限制条件,以便能够捉到爱因斯坦所说的那只“鬼”,该实验及其结果发表在了2月7日的《Physical Review Letters》上。

日内瓦大学的量子物理学家尼古拉斯·吉辛(Nicolas Gisin)说,“从技术上讲,这个实验是着实令人印象深刻的。”

根据量子理论,粒子并没有确定的状态,至少在测量之前我们都只能谈概率;而当测量发生时,它们却仿佛如骰子被掷完一般拥有了确定的结果。

更古怪的是,两个粒子可以进入“纠缠”的状态,不在拥有各自的概率,而需要更加复杂的概率函数将它们作为整体进行描述。该函数可以指定两个纠缠的光子在相互垂直的方向偏振,光子A在竖直方向偏振,光子B在水平方向偏振,或者相反。两个光子可以相距数光年,但它们依然是联系的:如果测量光子A得到的结果是为竖直方向的偏振,那么光子B就会瞬时变为水平偏振,即使测量之前并不知道B的状态,两个粒子间也没有传递信息。

这就是所谓的“鬼魅般的超距作用”,而在上世纪30-40年代,爱因斯坦则以此质疑量子力学的完备性。

在1964年,北爱尔兰物理学家约翰·贝尔(John Bell)发现了一种方法可以检验这个矛盾。他证明,如果粒子具有确定的状态,即使没有人在观察(“realism”,编者认为应翻译为客观性),而且如果确实没有信号传播得比光快(“locality”,即“局域性”),那么粒子间的关联性应具有上限,而且这个上限可以在两个粒子的已测量状态里被观察到。

然而,实验结果一次又一次地表明,纠缠态下粒子的关联性比贝尔的上限更高,因此更加倾向于充满随机性的量子力学世界观。

只有一个问题:除了局域性和客观性,贝尔还使用了另一个微妙的假设推导他的公式,几十年来这个假设在很大程度上都被人们忽视了。

新论文的合作者之一、来自麻省理工学院的安德鲁·弗里德曼(Andrew Friedman)表示:“贝尔定理中三个相关的假设是局域性,客观性和自由度。最近人们发现,极少量地降低自由度变可以保持局域性和客观性。”

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