10月4號重陽節(jié)下午，科學網(wǎng)以直播形式播放了2022年諾貝爾物理學獎的發(fā)布現(xiàn)場。斯德哥爾摩的瑞典皇家科學院宣布，將2022年諾貝爾物理學獎授予法國物理學家阿斯佩克特（Alain Aspect）、美國實驗和理論物理學家克勞澤（John F. Clauser）和奧地利科學家澤林格爾（Anton Zeilinger），以表彰他們“用糾纏光子進行的實驗，確立了貝爾不等式的違反，并開創(chuàng)了量子信息科學”（for experiments with entangled photons,establishing the violation of Bell inequalities and pioneering quantum information science）。 阿斯派克特、克勞澤和澤林格爾的工作，通過對“貝爾實驗”的分析，證實和闡釋量子現(xiàn)象的獨特性質(zhì)——非定域性和量子遠程關聯(lián)的糾纏態(tài)，也決定性地否定了玻姆隱變量的存在，肯定了現(xiàn)有量子力學理論的正確性，所以意義深遠。它對進一步肯定和加深對量子力學的理解，發(fā)展在量子信息，尤其是量子通信和量子計算方面的應用，更是有著廣闊的前景。1.量子現(xiàn)象中的非定域遠距離關聯(lián)關于非定域遠距離關聯(lián)，指的是這樣一件事情?？疾炝Ｗ?/span>(光子或電子等)通過雙狹縫后在屏上形成的干涉花樣，當堵住一個縫而讓粒子只通過另一個縫時，干涉花樣將立即變?yōu)檠苌浠印？梢栽O想，如果這兩個縫相距相當遠，它們之間是類空間隔（即它們之間不可能交換信息而實現(xiàn)因果聯(lián)系），一個縫被堵住的信息是如何瞬時地傳達到另一個狹縫處的呢？如果確有信號在它們之間傳遞，那是違背相對論的定域因果性原則的。問題的嚴格表述要從所謂EPR論證(或EPR佯謬)說起。1935年，愛因斯坦和波多耳斯基 (B. Podolsky)、羅森(N. Rosen)共同發(fā)表了一篇題為“能認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎?”的文章（見許良英等編譯《愛因斯坦文集》(第一卷），商務印書館（1976）：328-335），認為：如果現(xiàn)今的量子力學是正確（自洽）的，那么它就一定是不完備的，因為理論中沒有完全包括物理實在的每一個元素所對應的物理量（測不準關系，或稱“不確定度關系”）。當然，要辯明這一問題，首先得明確定義到底什么樣的理論才算是“完備”的？EPR（愛因斯坦、波多耳斯基、羅森三個人姓名的首字母）認為：如果物理實在的每一個要素都在物理理論中有它的對應量，那么這個理論就是完備的。而如果對物理系統(tǒng)不作任何干擾，就能確定地預言一個物理量的值，那么這個物理量就是物理實在的要素。換句話說，客觀實在性與人們的觀測無關。另外，還須認定滿足相對論的定域性原則，即自然界不存在超距作用，沒有超光速信號。EPR論證大致上是這樣的：為簡單起見，假定現(xiàn)在有一個動量為零的復合粒子系統(tǒng)，在t = 0到t = T這段時間分裂為兩個粒子Ⅰ和Ⅱ，在T時刻已遠離不再有相互作用。現(xiàn)在測量Ⅰ的動量為P，根據(jù)量子力學中仍然有效的動量守恒定律，對Ⅱ不用進行測量就可以知道它的動量是-P，因而Ⅱ的動量是物理實在的一個要素。另一方面，測量Ⅰ的坐標，根據(jù)復合系統(tǒng)的波函數(shù)，又可以對Ⅱ不加測量地預示為，因而Ⅱ的坐標也是物理實在的一個要素。如果量子力學理論是正確的，測不準關系成立，Ⅱ就不能同時具有確定的坐標和動量。由于坐標和動量都是可以觀察度量的物理實在的要素，因而一個完整的理論二者皆應包容其中。根據(jù)理論的完備性判據(jù)，物理實在的所有要素現(xiàn)在在量子力學中并不同時都有對應量，而且這與測量無關。因而，量子力學是不完備的。
電子的雙縫干涉實驗：電子和所有微觀粒子一樣都具有波粒二象性。當一群電子（或者一個一個電子多次發(fā)射）通過雙狹縫時，電子將攜帶著概率波的信息，以波的形式通過雙縫，在屏幕上形成電子數(shù)密集分布的干涉條紋。上文發(fā)表后不久，玻爾便迅速地作出了反應。為了加強針對性，他以同樣的標題撰文反駁。其要點是不同意EPR的實在性判據(jù)，即認為不可能有無干擾的測量。物理量本來就是和測量儀器、條件與方法緊密聯(lián)系著的。任何量子測量的結(jié)果使我們得到的并不只是對象客體的信息，而且包含著關于這個客體浸沒在其中的實驗環(huán)境的整體信息。觀測者的實驗意圖、實驗安排、實驗手段等，這些也可被認為是一種“干擾”，它不單要干擾Ⅰ，還要影響Ⅱ。測量對象和測量儀器、測量手段共同構(gòu)成了一個不可分割的整體。兩個曾經(jīng)相互作用過的粒子Ⅰ和Ⅱ是相互關聯(lián)著的一個不可分割的整體，即使它們分離得再遠也將仍然是不可分離地相互關聯(lián)著的。對第Ⅰ個粒子的測量不造成對第Ⅱ個粒子影響的前提是不成立的。系統(tǒng)的這種整體性量子關聯(lián)是基本的，而把系統(tǒng)看作是由彼此可以分離、并加以單獨描寫的部分所組成的觀點則只能是一種經(jīng)典近似。這就從根本上改變了關于整體和部分相互關系的觀念。由于在這里不存在關于信號傳遞的問題，因而它與相對論中的定域性原則相矛盾的問題也就不存在了。然而，量子力學的統(tǒng)計特征總讓人感到有些不自在，使人們難以徹底接受。玻姆(David Joseph Bohm)等人的隱變量理論就是企圖在量子領域消除統(tǒng)計性而恢復單值決定論的一種努力（關于玻姆的隱變量理論，可以參考洪定國《物理學理論的結(jié)構(gòu)與拓展》，科學出版社（1988）：§4.2,-4，-5，-6）。隱變量理論認為，在深一層次中，對單個系統(tǒng)的測量不存在測不準關系，它只是一種量子漲落的統(tǒng)計結(jié)果。隱變量理論對于遠距離關聯(lián)的解釋是：兩粒子的隱變量彼此有聯(lián)系，它們通過這種內(nèi)稟性質(zhì)攜帶著指示它們到達給定儀器時應如何行動的信息，而在不同的實驗裝置中有不同的行動。這里不存在觀測對象與測量儀器之間不可控制的相互作用。為了將是否存在定域隱變量的問題付諸實驗以做出判定，貝爾 （John Stewart Bell）從隱變量存在的假定出發(fā)，根據(jù)可分離原則，導出了一個兩粒子自旋系統(tǒng)的不等式，即貝爾不等式（出自他1964年的論文“On the Einstein Podolsky Rosen Paradox”）。比如討論一個由兩個光子或電子那樣的粒子1和2所組成的總自旋角動量為零的單態(tài)系統(tǒng)。當它們向相反方向飛出很遠時，由于角動量守恒，第1個粒子如果是右旋偏振的，那么第2個粒子也將不受影響還是右旋偏振的（這句話是怎么回事？一個是右旋，另一個不應該是左旋嗎？還有為什么要說不受影響？）。當然也可以把它們分解成線偏振態(tài)的疊加，實際上有時測量線偏振態(tài)可能更方便一些。由此導出了遵從隱變量理論的貝爾不等式，其原始形式為：︳P(a,b) - P(a,c)︱≤ 1 + P(b,c),式中P(a,b)稱為粒子1和粒子2的“自旋關聯(lián)” 函數(shù)，它的定義是：粒子1沿單位矢量a方向的自旋分量 與粒子2沿單位矢量b方向的自旋分量二者測量值之積的統(tǒng)計平均值。作同樣的理解。他證明了，量子力學的“自旋關聯(lián)”是與貝爾不等式矛盾的。換句話說，一個定域隱變量理論不能復現(xiàn)量子力學的結(jié)果(這被稱為“貝爾定理”)。要么貝爾不等式正確，要么量子力學正確，二者必居其一。自1972年以來已經(jīng)做過的十五個以上的實驗中，只有早期(1973，1974)兩個實驗是和貝爾不等式一致的，而且其可靠性尚有疑問。也就是說，非常傾向于否決定域隱變量理論存在的可能性，而肯定量子力學的正確性。
