西班牙拉帕爾馬島的羅克德洛斯·穆查喬斯山頂上的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，這是許多探索量子力學(xué)的人中最新、也是最雄心勃勃的一個(gè)。量子力學(xué)是一種難以理解的理論，描述了自然界最基本的工作原理。
通過(guò)6臺(tái)望遠(yuǎn)鏡、大量精密光學(xué)設(shè)備和數(shù)十億年前星系發(fā)出的光，米尼克·勞奇（Dominik Rauch）試圖驗(yàn)證愛(ài)因斯坦倡導(dǎo)的一個(gè)論斷：量子力學(xué)的奇怪之處只是掩蓋了一些更深、更隱蔽的現(xiàn)實(shí)。
當(dāng)量子力學(xué)在近一個(gè)世紀(jì)前被提出時(shí)，它推翻了關(guān)于世界運(yùn)作的兩個(gè)特別寶貴的假設(shè)。首先是實(shí)在論。經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為世界是獨(dú)立于觀察者而存在的，而量子理論則不同，它強(qiáng)烈地暗示了現(xiàn)實(shí)不存在，或者至少在被觀察之前是無(wú)法有意義地描述的。
第二個(gè)問(wèn)題是“非局域性”。這源于糾纏現(xiàn)象--愛(ài)因斯坦稱之為“幽靈般的超距離作用”，在這種現(xiàn)象中，時(shí)空中某一區(qū)域的事件似乎可以瞬間影響到其他地方的事件，甚至是光年之外。這與愛(ài)因斯坦的相對(duì)論相悖，在相對(duì)論中，任何影響的傳播速度都不能超過(guò)光速。
對(duì)愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō)，量子力學(xué)的反現(xiàn)實(shí)主義和非局域性意味著理論是不完整的。一定有一些隱藏的物理學(xué)能給出更好的解釋。
甚至在1955年愛(ài)因斯坦去世后，這些爭(zhēng)論仍在繼續(xù)。1964年，北愛(ài)爾蘭理論家約翰·貝爾(John Bell)終于給實(shí)驗(yàn)學(xué)家們提供了一種方法，讓愛(ài)因斯坦的局域?qū)嵲谡撆c量子力學(xué)對(duì)立起來(lái)，看看哪種方法能更好地解釋問(wèn)題。首先，你會(huì)產(chǎn)生成對(duì)的量子粒子，比如光子，從量子力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，它們是糾纏在一起的。然后，你將每個(gè)光子與它在太空中的同伴分離開(kāi)來(lái)，并獨(dú)立地測(cè)量每個(gè)光子的特定量子特性。
大多數(shù)這樣的測(cè)試著眼于偏振，在兩個(gè)方向中的一個(gè)方向測(cè)量。在經(jīng)典物理學(xué)中，除了隨機(jī)得到的結(jié)果之外，你會(huì)認(rèn)為，對(duì)一對(duì)光子的測(cè)量結(jié)果之間不會(huì)有任何相關(guān)的聯(lián)系。在貝爾的測(cè)試中，任何既保留現(xiàn)實(shí)又保持局域性的理論都只允許一定的最大相關(guān)量。與此同時(shí)，量子力學(xué)是非局域的，可以使相關(guān)量超過(guò)這個(gè)限制。
在20世紀(jì)70年代，實(shí)驗(yàn)終于完成了，答案似乎很清楚。貝爾的限制被打破了。
但是這些早期的實(shí)驗(yàn)仍然不能完全排除局域現(xiàn)實(shí)理論在幕后操縱的可能性。例如，如果運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)人A和B，如果他們的距離不夠遠(yuǎn)，那么以光速傳播的隱藏影響可能會(huì)導(dǎo)致A的測(cè)量影響B(tài)的測(cè)量，反之亦然。
除了這個(gè)“局域性漏洞”，還有一個(gè)公平的采樣漏洞：如果A和B使用的探測(cè)器效率低下，而且只探測(cè)到光子的一小部分，那么他們樣本中的某些東西可能會(huì)使結(jié)果偏向于不存在的相關(guān)性。還有一個(gè)自由選擇的漏洞：貝爾測(cè)試的一個(gè)無(wú)懈可擊的實(shí)現(xiàn)要求A和B可以完全自由地選擇他們各自獨(dú)立的測(cè)量設(shè)置。
到2015年，一系列的實(shí)驗(yàn)聲稱填補(bǔ)了這些漏洞，通過(guò)在空間中分離A和B，使用高效率的探測(cè)器，并使用獨(dú)立的、超快的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，A和B用這些發(fā)生器來(lái)確定實(shí)驗(yàn)設(shè)置。結(jié)果仍然是一樣的。
但在2011年，堪培拉澳大利亞國(guó)立大學(xué)的邁克爾·霍爾(Michael Hall)已經(jīng)提出，使用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可能不足以彌補(bǔ)選擇自由的漏洞。如果隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器和光子源在過(guò)去的任何時(shí)候都通過(guò)隱藏機(jī)制相互作用，這可能會(huì)影響測(cè)量設(shè)置的選擇，甚至可能影響光子的性質(zhì)，從而產(chǎn)生觀察到的相關(guān)性。霍爾的工作最終迫使實(shí)驗(yàn)者重新思考。他說(shuō)：“我想對(duì)人們說(shuō)，別再說(shuō)量子力學(xué)實(shí)際上是非局域的了?！?/span>
但是你怎么能在實(shí)驗(yàn)中排除這種可能性呢？西班牙巴塞羅那光子科學(xué)研究所的摩根·米切爾（Morgan Mitchell）說(shuō)：“當(dāng)時(shí)有一種感覺(jué)，認(rèn)為自由選擇的漏洞是無(wú)法彌補(bǔ)的?！?/span>
米切爾和他的同事們想出了一個(gè)創(chuàng)新的答案：他們把探測(cè)器設(shè)置的選擇外包給了玩電子游戲的人。在“大貝爾測(cè)試（Big Bell Test）”中，每個(gè)游戲玩家都需要快速生成0和1的序列，而機(jī)器學(xué)習(xí)算法則試圖預(yù)測(cè)他們下一步會(huì)做什么。他們的序列越不可預(yù)測(cè)，游戲玩家的得分就越高。2016年11月30日，大約100,000名玩家生成了近1億個(gè)隨機(jī)數(shù)字，這些數(shù)字通過(guò)管道傳輸?shù)轿宕笾薜?3個(gè)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行不同版本的貝爾測(cè)試。
正如今年早些時(shí)候“大貝爾”測(cè)試團(tuán)隊(duì)所揭示的那樣，所有的實(shí)驗(yàn)，加上12小時(shí)以上的隨機(jī)數(shù)字，都打破了貝爾的限制。米切爾說(shuō)：“如果我們假設(shè)人類擁有自由意志，那么我們就已經(jīng)關(guān)閉了自由選擇的漏洞?！?/span>
然而，這是一種讓哲學(xué)家無(wú)法入睡的假設(shè)。有一種方法可以避免它。時(shí)空中的每一個(gè)事件，如A和B所做的測(cè)量，都有一個(gè)“過(guò)去光錐”：一個(gè)以光速或更慢的速度移動(dòng)的隱藏的影響可以通過(guò)移動(dòng)來(lái)影響它的時(shí)空體積。因此，你需要做的是確保用來(lái)選擇測(cè)量設(shè)置的隨機(jī)事件是來(lái)自盡可能遙遠(yuǎn)的過(guò)去，排除了這些雜亂無(wú)章的東西。
安德魯·弗里德曼(Andrew Friedman)、賈森·加利奇奧(Jason Gallicchio)和戴維·凱澤(David Kaiser)腦力激蕩的地方。凱澤說(shuō)：“我們?cè)噲D將隨機(jī)數(shù)發(fā)生器外包給宇宙本身，讓宇宙為我們工作?！?/span>
這個(gè)想法很簡(jiǎn)單，但很激進(jìn)。A和B可以使用望遠(yuǎn)鏡從遙遠(yuǎn)的天文物體接收光子，并利用每個(gè)光子的顏色來(lái)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)位的測(cè)量設(shè)置。
例如，比某些閾值波長(zhǎng)更紅的光子可以在一個(gè)方向觸發(fā)偏振測(cè)量，而更藍(lán)的光子可以在另一個(gè)方向觸發(fā)測(cè)量。通過(guò)使用宇宙學(xué)光子來(lái)確定測(cè)量設(shè)置，并證明貝爾界限仍然被打破，你可以證明，在光向地球傳播的所有時(shí)間里，沒(méi)有任何隱藏的影響可能會(huì)影響探測(cè)器的設(shè)置。
為了做到這一點(diǎn)，凱澤和他的同事們與來(lái)自?shī)W地利維也納的量子光學(xué)和量子信息研究所的安東·澤林格(AntonZeilinger)合作。他們的第一次實(shí)驗(yàn)把糾纏光子的來(lái)源放在波茲曼加斯市的研究所的屋頂上。像之前的所有其他實(shí)驗(yàn)一樣，這個(gè)實(shí)驗(yàn)打破了貝爾的界限，表明任何隱藏的影響都不可能在現(xiàn)在起作用，或者在過(guò)去600年左右的時(shí)間里，也就是星光到達(dá)地球的時(shí)間里。
位于拉帕爾馬的威廉赫謝爾望遠(yuǎn)鏡是迄今為止量子現(xiàn)實(shí)最雄心勃勃的測(cè)試的一部分
但凱澤和他的同事最初提出的建議更有雄心。它設(shè)想使用來(lái)自數(shù)十億光年外非常明亮的星系源，即類星體的光線。類星體是離我們最遠(yuǎn)的天體，仍然可以用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡看到。他們需要一個(gè)更大的望遠(yuǎn)鏡。
就像在維也納一樣，實(shí)驗(yàn)需要三個(gè)地點(diǎn)，A和B都用望遠(yuǎn)鏡連接起來(lái)，中間是糾纏光子的來(lái)源，三個(gè)人之間有一條清晰的視線。位于拉帕爾馬(La Palma)的羅克-德洛斯·穆查喬斯(Roque De Los Muchachos)是一座布滿望遠(yuǎn)鏡的山，有著完美的配置。
1月中旬的一個(gè)晚上，兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡鎖定在對(duì)面天空中的類星體中，觸發(fā)了A和B的測(cè)量設(shè)置。其中一個(gè)是78億年前發(fā)出的光，另一個(gè)是122億年前發(fā)出的光。研究人員能夠收集和分析近18000對(duì)光子的數(shù)據(jù)。貝爾的界限又一次被打破了，而且非常嚴(yán)重。
由于類星體的光源在天空中的方向不同，它們過(guò)去光錐在過(guò)去僅重疊131.5億光年。凱澤說(shuō)，這就排除了任何地方的局域現(xiàn)實(shí)機(jī)制。
凱澤說(shuō)，盡管實(shí)驗(yàn)封閉了局域性漏洞，并將選擇自由的漏洞推向了極端。凱澤說(shuō)：“我們甚至沒(méi)有試圖封閉公平抽樣漏洞”。需要通過(guò)空氣將光子從源傳送到A和B，這意味著丟失了太多的光子，無(wú)法確保探測(cè)效率。
與此同時(shí)，中國(guó)科技大學(xué)的潘建偉帶領(lǐng)的中國(guó)參賽隊(duì)伍，試圖封閉所有三個(gè)漏洞。利用光纖將光子從源端傳輸?shù)紸和B，將光子損失降到最低，這兩處都位于上海市郊。為了產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，研究小組使用了離我們11光年遠(yuǎn)的恒星發(fā)出的光，但潘建偉說(shuō)：“我們的實(shí)驗(yàn)最終排除了實(shí)驗(yàn)前11年發(fā)生的局域性隱藏變量模型。”
兩個(gè)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在都在考慮如何進(jìn)一步推進(jìn)，例如利用宇宙微波背景的光子，宇宙大爆炸遺留下來(lái)的輻射。這將是一個(gè)美妙的技術(shù)挑戰(zhàn)，一個(gè)非常漂亮，非常艱難的實(shí)驗(yàn)。
不過(guò)，拋開(kāi)這些瑣事不談，結(jié)論似乎已經(jīng)很清楚了。對(duì)大多數(shù)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這并不令人驚訝，但我們不妨看看：愛(ài)因斯坦的局域現(xiàn)實(shí)宇宙，如果存在的話，已經(jīng)被推到宇宙的一個(gè)很小的角落里去了。在其他地方，似乎很少有人懷疑量子力學(xué)或基于它的東西是對(duì)自然的正確描述。
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