雖然愛因斯坦是量子理論的始作俑者，可他本人一生都不愿接受量子力學(xué)的怪誕結(jié)論。他說過一句很有名的話“上帝是不投骰子的”，旨在否定量子力學(xué)對物理世界概率性的描述。盡管愛因斯坦已經(jīng)去世60年，但他給后人留下的爭論一直是科學(xué)界的熱門話題。然而，幾天前由荷蘭物理學(xué)家發(fā)布的實驗結(jié)果終于表明，愛因斯坦錯了。
從量子力學(xué)誕生開始，爭論就沒有停止過。盡管以丹麥物理學(xué)家波爾為代表的 “哥本哈根學(xué)派”認(rèn)為量子力學(xué)是完備且自圓其說的，愛因斯坦等物理學(xué)家卻始終堅持量子力學(xué)不是最終理論。愛因斯坦認(rèn)為，物理世界的主宰是傳統(tǒng)的機械決定論，而非概率。兩派長期針鋒相對，唇槍舌戰(zhàn)，他們爭論的焦點落在了“量子糾纏”(quantum entanglement)上，而量子糾纏直接挑戰(zhàn)了經(jīng)典物理學(xué)的定域性描述。比如，兩個朝相反方向運動的光子，只要不受干擾，無論相距多遠(yuǎn)都可以在瞬間傳遞信息。打個比方，即使牛郎和織女分居在銀河兩頭，彼此心映即刻完成，無需時間。
愛因斯坦難以接受這樣的結(jié)論，因為按照他提出的相對論，信號傳遞的最快速度是光速，兩個相距甚遠(yuǎn)的物體是不可能在瞬間交換信息的。也就是說，如果銀河系有 10萬光年大，那么牛郎的呼喚需要10萬年后才能被織女知道，絕不是發(fā)生于頃刻之間事情。愛因斯坦為此還提出了著名的“隱變量理論”，將量子力學(xué)不能給出確定結(jié)果的概率問題，歸咎于人們對某種尚未發(fā)現(xiàn)的“隱變量”的無知。他認(rèn)為，那兩個彼此背離而行的光子，一定是具有某種內(nèi)在的機制，決定了它們之后的行為，只不過人們不知道罷了。也就是說，牛郎和織女在每年分手的時候都要約定好，在日后的某個時刻彼此互相思念，只是這樣的約定還沒有被王母娘娘發(fā)現(xiàn)而已。
簡而言之，如果愛因斯坦是對的，那么人們依然可以按照傳統(tǒng)的科學(xué)理念去理解世界。如果哥本哈根學(xué)派是對的，那么人們就不得不推翻許多根深蒂固的觀念，重新去審視我們的世界。人們也不得不承認(rèn)，真實的世界和我們通過感官所接觸、所看到的世界在本質(zhì)上是完全不同的。在當(dāng)時，許多人都認(rèn)為這樣的爭論不會有結(jié)果，因為這已然超越了科學(xué)范疇，上升為一個哲學(xué)問題。
可轉(zhuǎn)機出現(xiàn)在上世紀(jì)60年代中葉，當(dāng)時愛因斯坦已經(jīng)去世10年。歐洲核子研究組織 (CERN)的約翰·貝爾(John Bell)在赴美國訪問期間，發(fā)表了著名的論文，將這一看似抽象的哲學(xué)問題簡化為一個清晰的數(shù)學(xué)不等式，它被人們稱為“貝爾不等式”。貝爾不等式其實是說，如果愛因斯坦提出的隱變量存在的話，那么在特定的實驗條件下，實驗結(jié)果(大量獨立重復(fù)實驗的統(tǒng)計概率)就會被限制在一個范圍之內(nèi)。一旦實驗測量超出該范圍，即貝爾不等式不成立的話，那么愛因斯坦就是錯的，隱變量理論也就不正確。由于貝爾不等式可以直接付諸實驗觀測，愛因斯坦與哥本哈根學(xué)派之間的爭論不再具有形而上的神秘色彩。取而代之的是，人們開始熱衷于貝爾不等式的實驗觀測。
然而實驗測量并不簡單。在過去的50年里，人們提出了不計其數(shù)的實驗方案，但每一個方案都有漏洞。所以，盡管許多實驗得到了違反貝爾不等式的結(jié)果，但由于漏洞的存在也無法在邏輯上直接證明貝爾不等式不成立。令人振奮的是，最近由荷蘭代爾夫特科技大學(xué)的Ronald Hanson領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊，終于實現(xiàn)了沒有漏洞的實驗觀測，50年來第一次無懈可擊地直接證明了貝爾不等式不成立。
Hanson團隊的實驗設(shè)計十分巧妙。他們在相距1.28千米的兩個實驗室里，分別用微波去激發(fā)處于極低溫的鉆石里的電子。當(dāng)電子被激發(fā)出來時，它們同時也放出與自身相糾纏的光子。兩邊的光子通過光纖傳送到位于兩實驗室之間的另一個探測地點，這里精確記錄著光子到達的時間。如果兩邊發(fā)射過來的光子同時到達并以特定方式干涉，那么兩個光子就會立即將自己所“代表”的電子糾纏起來，實現(xiàn)遠(yuǎn)程的量子糾纏。這好比遠(yuǎn)隔10萬光年的牛郎和織女各派一個天使在鵲橋相會，如果兩個天使同時到達并正確表達了主人的意思，那么牛郎和織女就實現(xiàn)了遠(yuǎn)程的“約會”。
由于兩邊的實驗室在同時測量電子的自旋，一旦兩個電子實現(xiàn)了遠(yuǎn)程的量子糾纏，儀器就會記錄它們自旋在不同方向出現(xiàn)的頻率。大量觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果顯示，貝爾不等式的確不成立。該實驗唯一不盡人意之處，在于兩邊的光子精確同時到達的成功率很低，大約1.5億個光子對中才能有一對光子成功干涉并實現(xiàn)電子的遠(yuǎn)程糾纏。因此，該實驗一共進行了22個多小時，卻只得到245 次有效數(shù)據(jù)。不過，該團隊目前正在努力改進，以期提高效率。
他們的實驗結(jié)果剛剛出爐，尚未來得及發(fā)表于正式期刊上，但已經(jīng)得到物理學(xué)界的普遍關(guān)注。 “這是量子物理學(xué)一項里程碑式的文章”，澳大利亞格里菲斯大學(xué)的Howard Wiseman評價道，盡管他本人沒有參與這項實驗。工作于悉尼大學(xué)的物理學(xué)家Christopher Ferrie認(rèn)為該實驗將有深遠(yuǎn)影響，他說“物理世界和人們?nèi)粘Ｖ庇X上看到的世界有著深刻的不同，人們將對此不再有任何的懷疑”。維也納大學(xué)的Anton Zeilinger領(lǐng)導(dǎo)著一個與荷蘭Hanson相競爭的科研團隊，當(dāng)他看到Hanson這項舉世矚目的成果時不禁說道“這是一個非常漂亮的實驗，除了要祝賀他們的團隊以外沒有別的了?！彼€說，如果愛因斯坦活著的話，他一定會對此印象深刻。
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