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科学中最奇特的现象

2018-06-15 00:36 来源:科技日报

陈思进

科学中最奇特的现象

陈思进

超越时空

在上文《量子纠缠:科学中最奇特的现象》(《科普时报》2018年5月25日第3版)中,我试图用最浅显的语言介绍量子纠缠,最后写道,尽管爱因斯坦由于对量子理论的贡献获得了诺贝尔奖(并非创立了相对论),但他强烈质疑量子纠缠,将其称为“超距幽灵作用”,意思是不可能存在的事实。可是,直到爱因斯坦去世,甚至与爱因斯坦在量子力学上互掐几十年的老哥们儿玻尔也去世了,这个问题依然悬而未决。

直到12年之后的1967年,爱因斯坦的粉丝约翰·克劳泽,一个即将获得哥伦比亚大学天体物理学的博士,坚信爱因斯坦对量子纠缠的质疑是正确的。他暗想,只有用事实(即物理实验)才能证明量子纠缠现象是不存在的。

可有意思的是,他曾回忆,“我还是研究生的时候,不管再怎样努力,还是搞不懂量子力学。”一个甚至搞不懂量子力学的物理界新手,有可能接棒爱因斯坦挑战量子力学的使命吗?

1967年,约翰·克劳泽读到了一篇改变了他一生的晦涩难懂的论文,作者是一位默默无闻的爱尔兰物理学家约翰·贝尔。令人讶异的是,贝尔似乎已经找到了一种方法,可以打破爱因斯坦与玻尔之间的僵局,一劳永逸地决定谁对宇宙的看法是正确的。

读完这篇论文后,克劳泽明白了贝尔已经发现如何去分辨缠结的粒子,究竟是透过幽灵般的作用彼此联络(像量子酒吧里配了对的旋转轮盘那样),还是根本就没有什么幽灵,那对粒子从一开始就那样(就像爱因斯坦提到的那对手套一样)。

在那篇论文中,贝尔借助一些聪明的数学算式,表明如果那些幽灵作用并不存在,那么量子力学也并不仅仅像爱因斯坦所想的只是一门不完备的科学,而可能根本就是错的,这就是著名的贝尔不等式(篇幅有限,就不具体介绍了)。克劳泽回忆说:“我的结论是,天哪,这正是我所要的东西!”

贝尔是一位理论学家,不过,他论文的提议是,能否解决这个问题,取决于能否建造一架能生成并比较多对缠结粒子的机器。贝尔把爱因斯坦对量子纠缠的质疑,转化成了一个实验问题,而不仅仅好似一个哲学问题。贝尔认为,只要能建造出这样一架机器,就能通过实验来解决这个争议。

于是,克劳泽开始着手建造这样的机器,对于当时的他来说,那简直是一个不可能的任务。但无论机会多么渺茫,最后他终于造出了机器,实验结果震撼了世界!

克劳泽的机器可以测量数千对缠结粒子,并就各个不同方向对它们做比较。可是结果出来后,与他原来的想象竟然完全不一样!克劳泽相当诧异,他自问,究竟是哪儿出错了?

克劳泽很不甘心,不断重复着他的实验。但是无论他进行多少次试验,结果都证明在量子力学之中,贝尔不等式不成立,而恰恰反倒证明了爱因斯坦对量子纠缠的质疑是错误的。也就是说,克劳泽的实验证明了量子纠缠现象是客观的存在。

没过多久,法国物理学家阿兰·阿斯佩在克劳泽的基础上,开发出更精巧的试验,直指爱因斯坦与玻尔辩论的核心。

阿斯佩的实验中,唯一能够测量出一个粒子透过讯号传递,直接影响另一个粒子的可能,就是这个讯号要比光速还快,但这恰恰是连爱因斯坦自己都认为是绝对不可能的事情。那么剩下的唯一解释,这就是“幽灵”作用——量子纠缠。

克劳泽和阿斯佩的这些实验结果令人震惊不已,证明了量子力学的那个预测方程式是对的,即量子纠缠现象是客观的存在,量子的确可以超越空间彼此联系,只要测量其中一个,事实上就会立刻影响到它的远方伴侣。好似其间的空间根本不存在一样。换句话说,爱因斯坦认为不可能的超距幽灵作用,结果是真实的存在。

至此,克劳泽和阿斯佩德的实验回应了爱因斯坦的所有质疑。但是,克劳泽对此却难过不已,没想到自己接棒爱因斯坦挑战量子力学失败了,还恰恰证明了量子纠缠的客观存在。

迄今为止,量子纠缠是科学上最诡异的现象,但显然量子世界就是这样运作的,事实胜于雄辩。

如果我们接受这个世界就是依照这种“诡异”的方式运作,我们就可以利用这种纠缠粒子的超距作用,做些有用的事情,如人类一直梦想有一天能以某种方式直接将东西甚至人本身,从一处瞬间传递到另一个地方,不用经过中间的空间,也就是“瞬间移动”,这也是我正在创作的科幻长篇系列小说《超越时空》中的科学基础之一。

后来,科学家们无论是否看懂了量子力学,都接受了量子力学,因为它的理论和实验结果完全相符,是一个极其成功的理论,并成为几乎所有现代科学技术的基础。甚至可以这样说,如果没有量子力学的应用,手机、电脑和互联网都将不复存在,我这会儿也不可能敲打键盘写文章了。

(作者系加拿大某国际财团风险管理资深顾问,科幻作家)

本文来源:科技日报责任编辑:KS002

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