关于相对论与量子力学的论争,长久以来一直是物理学界热议的话题。两次世界大战的爆发,一度让这场理论之争暂歇,欧洲的战火促使许多顶尖物理学家纷纷跨海前往美国。在坚实的经济基石支撑下,美国科学界迎来了崭新的发展机遇。
战后,科学家们又重拾旧业,迫不及待将量子理论的应用拓展至原子领域。在了解了电子与光之间的相互作用之后,哲学层面的探讨似乎变得微不足道,于是有关量子的哲学争论渐次退居次席。
随着量子力学对半导体本质的深入理解,我们步入了电子时代,它推动了激光的诞生,革新了通信方式,改进了医疗技术,并在核能领域实现了重要突破。量子力学的巨大成功使得大部分物理学家选择忽略爱因斯坦的质疑。他们甚至自嘲道:“闭嘴,算就是了!”
尽管如此,量子力学的成功背后,是爱因斯坦与波尔关于量子世界本质的讨论被搁置。在50年代迈向60年代的脚步中,一个孤独的思考者,约翰-贝尔,决意要终结这个长久以来的论争。
贝尔,这位在物理学界备受敬仰的英雄,对于量子世界是否只在被观测时存在,或是否有更深层次的理论未被发掘,抱有深深的困惑。他曾发出质疑:“量子力学可能错了,但我相信它已经腐朽。”
20世纪60年代早期,贝尔着手解决量子力学核心的难题。他提出了一个天才般的实验设想,或许是物理学史上难以理解却又无比迷人的想法之一。
以扑克牌游戏比喻,庄家代表神秘的量子,分发的牌象征亚原子粒子。游戏规则简单,两张同色牌即为胜,反之则败。而如果要让庄家败露,只需改变规则,让不同色的牌赢得游戏。
但邪恶的庄家总能胜出,两张牌总是同色。显而易见,庄家动了手脚,使得牌对他有利。
爱因斯坦相信在纠缠实验中,庄家在出牌前就已设定好一切。波尔则认为,在牌翻开前,红黑之分并不存在。
贝尔的妙计在于,他先不让庄家知道他要玩的游戏规则,直到发完牌再告知。这样,庄家就无法预先做手脚,他的胜率不再是百分之百。
这个游戏揭示了贝尔实验的核心。如果游戏结果我输我赢各半,意味着爱因斯坦是对的,庄家只是个擅长欺诈的高手。但如果我总是输,那只能表明没有常规解释可行,每张牌能跨越时空秘密通讯,我们所知的一切在这面前显得无足轻重。因此,在量子领域,现实或许是无法认知的。
贝尔将他的想法转化为简单的数学方程,直指那个未解之谜:现实究竟是什么?
1964年,贝尔公布了他的理论,但整个物理学界对他的发现置若罔闻。或许是人们尚未准备好接纳,或者因为其方程看似难以验证,亦或是无人认为值得研究。但变革的时机终究到来,而发生的地点出人意料。
当时的科学家们相信,如果粒子间能进行超距通信,那么超感、心灵感应和透视等现象也许真实存在。数学的辅助使得他们在1972年证明了贝尔不等式,并着手进行实验检验。
其中一位物理学家约翰-克劳泽,用他的实验室设备搭建了首个检验量子力学的实验。十几年后,这个实验由阿兰-阿斯佩的巴黎团队改进,提高了精确度。贝尔公布方程的十多年后,终于能够对其进行检验了。
实验现代版本中,晶体将激光转变成纠缠的光量子,形成两束精密光束,这些光子依次通过实验装置反射回来,直至抵达探测器。这些光子就像庄家分发的牌。
实验检测的是光子的偏振特性,类似于游戏中的牌色。例如,两张牌同色即为胜,对应于两个光子偏振方向一致。但因量子力学的特殊性,实验远比扑克牌游戏复杂。实验结果证明了爱因斯坦的错误,波尔的正确。
这个结果至关重要,它告诉我们,爱因斯坦对现实的理解可能真的错了(至少在微观世界如此)。实验中不存在任何巧妙的把戏能瞒过自然。两个纠缠的光子特性并非一开始就已确定,而是在我们进行测量时才变得真实存在。
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