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第十一章 上帝的判决二
castor_v_pollux
玻尔还是爱因斯坦？那就是个问题。 物理学家们终于行动起来，准备以实践为检验真理的唯一标准，确确实实地探求一下 ，究竟世界符合两位科学巨人中哪一位的描述。玻尔和爱因斯坦的争论本来也只像是哲学 上的一种空谈，泡利有一次对波恩说，和爱因斯坦争论量子论的本质就像以前人们争论一 个针尖上能坐多少个天使一般虚无飘渺，但现在已经不同，我们的手里现在有了贝尔不等 式。
两个粒子究竟是乖乖地臣服于经典上帝的这条神圣禁令，还是它们将以一种量子革命式的 躁动蔑视任何桎梏，突破这条看起来庄严而不可侵犯的规则？如今我们终于可以把它付诸 实践，一切都等待着命运之神最终的判决。 1969年，Clauser等人改进了玻姆的EPR模型，使其更容易实施。随即人们在伯克利， 哈佛和德州进行了一系列初步的实验，也许出乎贝尔的意料之外，除了一个实验外，所有 的实验都模糊地指向量子论的预言结果。但是，最初的实验都是不严密的，和EPR的原型 相去甚远，人们使原子辐射出的光子对通过偏振器，但技术的限制使得在所有的情况下， 我们只能获得单一的＋的结果，而不是＋和…，所以要获得EPR的原始推论仍然要靠间接推 理。而且当时使用的光源往往只能产生弱信号。 随着技术的进步，特别是激光技术的进步，更为精确严密的实验有了可能。进入80年 代，法国奥赛理论与应用光学研究所（Institut d’Optique Théorique et Appliquée； Orsay Cédex）里的一群科学家准备第一次在精确的意义上对EPR作出检验，领导这个小组 的是阿莱恩？阿斯派克特（Alain Aspect）。 法国人用钙原子作为光子对的来源，他们把钙原子激发到一个很高的量子态，当它落 回到未激发态时，就释放出能量，也就是一对对光子。实际使用的是一束钙原子，但是可 以用激光来聚焦，使它们精确地激发，这样就产生了一个强信号源。阿斯派克特等人使两 个光子飞出相隔约12米远，这样即使信号以光速在它们之间传播，也要花上40纳秒（ns）的 时间。光子经过一道闸门进入一对偏振器，但这个闸门也可以改变方向，引导它们去向两 个不同偏振方向的偏振器。如果两个偏振器的方向是相同的，那么要么两个光子都通过， 要么都不通过，如果方向不同，那么理论上说（按照爱因斯坦的世界观），其相关性必须符 合贝尔不等式。为了确保两个光子之间完全没有信息的交流，科学家们急速地转换闸门的 位置，平均10ns就改变一次方向，这比双方之间光速来往的时间都要短许多，光子不可能 知道对方是否通过了那里的偏振器。 作为对比，我们也考察两边都不放偏振器，以及只 有一边放置偏振器的情况，以消除实验中的系统误差。 那么，现在要做的事情，就是记录两个光子实际的协作程度。如果它符合贝尔不等式
，则爱因斯坦的信念就得到了救赎，世界回复到独立可靠，客观实在的地位上来。反之， 则我们仍然必须认真地对待玻尔那看上去似乎神秘莫测的量子观念。 时间是1982年，暮夏和初秋之交。七月流火，九月授衣，在时尚之都巴黎，人们似乎 已经在忙着揣摩今年的秋冬季将会流行什么样式的时装。在酒吧里，体育迷们还在为国家 队魂断西班牙世界杯而扼腕不已。那一年，在普拉蒂尼率领下的，被认为是历史上最强的 那届国家队在一场经典赛事中惊心动魄地击败了巴西，却终于在点球上败给了西德人。高 贵的绅士们在沙龙里畅谈天下大势，议论着老冤家英国人是如何在马岛把阿根廷摆布得服 服帖帖。在卢浮宫和奥赛博物馆，一如既往地挤满了来自世界各地的艺术爱好者，塞纳河 缓缓流过市中心，倒映着艾菲尔铁塔和巴黎圣母院的影子，也倒映出路边风琴手们的清澈 眼神。 只是，有多少人知道，在不远处的奥赛光学研究所，一对对奇妙的光子正从钙原子中 被激发出来，冲向那些命运交关的偏振器；我们的世界，正在接受一场终极的考验，向我 们揭开她那隐藏在神秘面纱后面的真实面目呢？ 如果爱因斯坦和玻尔神灵不昧，或许他们也在天国中注视着这次实验的结果吧？要是 真的有上帝的话，他老人家又在干什么呢？也许，连他也不得不把这一切交给命运来安排 ，用一个黄金的天平和两个代表命运的砝码来决定这个世界本性的归属，就如同当年阿喀 琉斯和赫克托耳在特洛伊城下那场传奇的决斗。 一对，两对，三对……数据逐渐积累起来了。1万2千秒，也就是3个多小时后，结果 出来了。科学家们都长出了一口气。 爱因斯坦输了！实验结果和量子论的预言完全符合，而相对爱因斯坦的预测却偏离了 5个标准方差——这已经足够决定一切。贝尔不等式这把双刃剑的确威力强大，但它斩断 的却不是量子论的辉光，而是反过来击碎了爱因斯坦所执着信守的那个梦想！ 阿斯派克特等人的报告于当年12月发表在《物理评论快报》（Physics Review Letters）上，科学界最初的反应出奇地沉默。大家都知道这个结果的重要意义，然而似乎 都不知道该说什么才好。 爱因斯坦输了？这意味着什么？难道这个世界真的比我们所能想象的更为神秘和奇妙 ，以致于我们那可怜的常识终于要在它的面前破碎得七零八落？这个世界不依赖于你也不 依赖于我，它就是“在那里存在着”，这不是明摆着的事情吗？为什么站在这样一个基本 假设上所推导出来的结论和实验结果之间有着无法弥补的鸿沟？是上帝疯了，还是你我疯 了？ 全世界的人们都试图重复阿斯派克特的实验，而且新的手段也开始不断地被引入，实 验模型越来越靠近爱因斯坦当年那个最原始的EPR设想。马里兰和罗切斯特的科学家们使 用了紫外光，以研究观测所得到的连续的，而非离散的输出相关性。在英国的Malvern， 人们用光纤引导两个纠缠的光子，使它们分离4公里以上，而在日内瓦，这一距离达到了 数十公里。即使在这样的距离上，贝尔不等式仍然遭到无情的突破。 另外，按照贝尔原来的设想，我们应该不让光子对“事先知道”观测方向是哪些，也 就是说，为了确保它们能够对对它们而言不可预测的事件进行某种似乎不可思议的超距的 合作（按照量子力学的预测），我们应该在它们飞行的路上才作出随机的观测方向的安排。 在阿斯派克特实验里，我们看到他们以10ns的速度来转换闸门，然而他们所能够使两光子 分离的距离12米还是显得太短，不太保险。1998年，奥地利因斯布鲁克（Innsbruck）大学 的科学家们让光子飞出相距400米，这样他们就有了1。3微秒的时间来完成偏振器的随机安 排。这次时间上绰绰有余，其结果是如此地不容置疑：爱因斯坦这次输得更惨——30个标 准方差！ 1990年，Greenberger，Horne和Zeilinger等人向人们展示了，就算不用到贝尔不等 式，我们也有更好的方法来昭显量子力学和一个“经典理论”（定域的隐变量理论）之间的 尖锐冲突，这就是著名的GHZ测试（以三人名字的首字母命名），它牵涉到三个或更多光子 的纠缠。2000年，潘建伟、Bouwmeester、Daniell等人在Nature杂志上报道，他们的实验 结果再次否决了定域实在，也就是爱因斯坦信念的可能性——8个标准方差！ 2001年，Rowe等人描述了更加精密的Be＋离子捕获实验。2003年，Pittman和Franson 报道了产生于两个独立源的光子对于贝尔不等式的违反；而Hasegawa等人更是在单中子的 干涉测量中发现了突破类贝尔关系的结果。 在世界各地的实验室里，粒子们都顽强地保持着一种微妙而神奇的联系。仿佛存心要 炫耀它们的能力般地，它们一再地嘲笑经典世界给它们定下的所谓不可突破的束缚，一次 又一次把那个被宣称是不可侵犯的教条踩在脚下。这一现象变得如此地不容置疑，在量子 信息领域已经变成了测试两个量子比特是否仍然处在纠缠状态的一种常规方法（有一个好 处是可以知道你的信息有否被人中途窃听！）。 尽管我们也许会在将来做出更多更精密的实验，但总体来看，在EPR中贝尔不等式的 突破是一个无可辩驳的事实。或许在未来，新的实验会把我们目前的结论全部推翻，让世 界恢复到经典的面目中去，但从目前来看，这种可能性是微乎其微的。 不知道爱因斯坦如果活到今天，他会对此发表什么样的看法？也许他会说一些灵活的 话。我们似乎听到在遥远的天国，他和玻尔仍在重复那段经典的对白： 爱因斯坦：玻尔，亲爱的上帝不掷骰子！ 玻尔：爱因斯坦，别去指挥上帝应该怎么做！ 现在，就让我们狂妄一回，以一种尼采式的姿态来宣布： 爱因斯坦的上帝已经死了。
第十一章 上帝的判决三
castor_v_pollux
阿斯派克特在1982年的实验（准确地说，一系列实验）是20世纪物理史上影响最为深远 的实验之一，它的意义甚至可以和1886年的迈克尔逊…莫雷实验相提并论。但是，相比迈 克尔逊的那个让所有的人都瞠目结舌的实验来说，阿斯派克特所得到的结果却在“意料之 中”。大多数人们一早便预计到，量子论的胜利是不在话下的。量子论自1927年创立以来 ，到那时为止已经经历了50多年的风风雨雨，它在每一个领域都显示出了如此强大的力量 ，没有任何实验结果能够对它提出哪怕一点点的质疑。最伟大的物理学家（如爱因斯坦和 薛定谔）向它猛烈
开火，试图把它从根本上颠覆掉，可是它的灿烂光辉却反而显得更加耀眼和悦目。从实用 的角度来说，量子论是有史以来最成功的理论，它不但远超相对论和麦克斯韦电磁理论， 甚至超越了牛顿的经典力学！量子论是从风雨飘摇的乱世成长起来的，久经革命考验的战 士，它的气质在风刀霜剑的严相逼拷之下被磨砺得更加坚韧而不可战胜。的确，没有多少 人会想象，这样一个理论会被一个不起眼的实验轻易地打倒在地，从此翻不了身。阿斯派 克特实验的成功，只不过是量子论所经受的又一个考验（虽然是最严格的考验），给它那身 已经品尝过无数胜利的戎装上又添上一枚荣耀的勋章罢了。现在我们知道，它即使在如此 苛刻的条件下，也仍然是成功的。是的，不出所料！这一消息并没有给人们的情感上带来 巨大的冲击，引起一种轰动效应。 但是，它的确把物理学家们逼到了一种尴尬的地步。本来，人们在世界究竟是否实实 在在这种问题上通常乐于奉行一种鸵鸟政策，能闭口不谈的就尽量不去讨论。量子论只要 管用就可以了嘛，干吗非要刨根问底地去追究它背后的哲学意义到底是什么样的呢？虽然 有爱因斯坦之类的人在为它担忧，但大部分科学家还是觉得无所谓的。不过现在，阿斯派 克特终于逼着人们要摊牌了：一味地缩头缩脑是没用的，人们必须面