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近一個(gè)世紀(jì)前首次發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)時(shí)，推翻了關(guān)于宇宙的兩個(gè)基本假設(shè)，一個(gè)是客觀實(shí)在論，一個(gè)是“非局域性”。

在客觀實(shí)在的問題上，量子力學(xué)相對于經(jīng)典物理認(rèn)為不存在獨(dú)立于觀察者的世界，所謂實(shí)在在被觀察之前是無法描述的。關(guān)于第二個(gè)問題，量子力學(xué)中的“非局域性”、“糾纏”違反了愛因斯坦的相對論，允許某一時(shí)刻的事件空瞬間影響另一時(shí)刻的事件空，而在相對論中，光速是宇宙中最快的速度。

愛因斯坦被認(rèn)為是量子理論的創(chuàng)始人之一，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了光量子。但愛因斯坦對后來的量子力學(xué)并不滿意，認(rèn)為量子力學(xué)的理論是不完整的。簡單一句話，“上帝不擲骰子”。在他看來，量子力學(xué)的概率特征是其不完備理論的表現(xiàn)。愛因斯坦一直認(rèn)為這背后一定有更深層次的物理原理來解釋這一點(diǎn)，直到他1955年去世，這個(gè)問題仍然沒有答案。

然而，迄今為止最雄心勃勃的貝爾實(shí)驗(yàn)再次驗(yàn)證了量子力學(xué)的可靠性:圍繞量子力學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵漏洞——選擇漏洞，一個(gè)國際團(tuán)隊(duì)將其貝爾實(shí)驗(yàn)“外包”給宇宙，讓宇宙參與隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生，以獲得最大的隨機(jī)性。

此外，以中國科技大學(xué)潘建偉為首的中國團(tuán)隊(duì)也對量子力學(xué)的三大漏洞進(jìn)行了探索，包括選擇漏洞。

這些實(shí)驗(yàn)可能很快就能證明，整個(gè)世界都可能遵循愛因斯坦生前不喜歡的這個(gè)理論。

量子力學(xué)的“未完成的弱點(diǎn)”

測試量子力學(xué)的一個(gè)著名實(shí)驗(yàn)是貝爾實(shí)驗(yàn)，由北愛爾蘭理論物理學(xué)家約翰·貝爾發(fā)起。

1964年，約翰.貝爾終于為實(shí)驗(yàn)學(xué)家提供了一種可行的量子力學(xué)測試方法。在貝爾的實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)糾纏光子源分別向愛麗絲和鮑勃發(fā)送光子，每個(gè)觀察者得到一個(gè)糾纏光子。愛麗絲和鮑勃會分別測量接收到的光子的偏振，然后比較測量結(jié)果，判斷兩個(gè)測量結(jié)果是否有相關(guān)性。

在大多數(shù)貝爾實(shí)驗(yàn)中，這種特定的量子性質(zhì)被選為“特定有效方向上的極化”。

經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為兩個(gè)光子的測量結(jié)果沒有聯(lián)系。在貝爾的實(shí)驗(yàn)中，任何識別真實(shí)性和局部性的理論都預(yù)測測量結(jié)果之間有最大的相關(guān)性。量子力學(xué)的非局域性允許測量之間的相關(guān)性超過這個(gè)最大值。

第一個(gè)完整的貝爾實(shí)驗(yàn)完成于20世紀(jì)70年代。結(jié)論是客觀性和局域性的崩塌，量子力學(xué)勝出。

但是，這些早期的貝爾實(shí)驗(yàn)并不能完全排除“隱藏理論”的存在。例如，如果愛麗絲和鮑勃之間的距離不夠，以光速傳播的“隱藏”影響可能會導(dǎo)致愛麗絲的測量結(jié)果影響鮑勃的測量。

除了剛才提到的局部漏洞，早期Bell實(shí)驗(yàn)中還有一個(gè)采樣漏洞和一個(gè)選擇漏洞。采樣孔是指如果愛麗絲和鮑勃使用的探測器效率不高，只能探測到少量的光子，那么實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能會產(chǎn)生不存在的相關(guān)性，而選擇孔則與愛麗絲和鮑勃選擇的測量設(shè)置是否完全獨(dú)立有關(guān)，因?yàn)槟呐率亲钗⑿〉倪x擇相關(guān)性都會破壞實(shí)驗(yàn)的完整性。

2015年的一系列實(shí)驗(yàn)表示，他們通過在Tai 空中分離愛麗絲和鮑勃，為觀察者提供高速隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和高效檢測器，成功填補(bǔ)了上述三個(gè)漏洞。結(jié)果表明量子力學(xué)仍然是正確的。

但早在2011年，澳大利亞國立大學(xué)的邁可·何就指出“隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可能不足以有效填補(bǔ)選擇漏洞”，并認(rèn)為如果隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和光子發(fā)射源過去通過某種隱藏機(jī)制相互作用，觀測者的測量設(shè)置甚至光子的某些性質(zhì)都會受到影響，進(jìn)而觀測到一些實(shí)驗(yàn)中不應(yīng)該存在的關(guān)聯(lián)。

西班牙光子科學(xué)研究所的摩根·米切爾說:“當(dāng)時(shí)，如何保證隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和光子源之間不存在相關(guān)性成為了業(yè)界的一大難題，甚至給人一種選擇漏洞可能根本無法填補(bǔ)的感覺。”

然而，米切爾和他的同事后來提出了一個(gè)創(chuàng)新的可能解決方案:將測量設(shè)置的選擇外包給視頻游戲玩家。在“大鈴測試”中，每個(gè)游戲玩家都需要快速生成一個(gè)0和1的序列?？茖W(xué)家會嘗試用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來預(yù)測玩家的選擇，并根據(jù)生成序列的可預(yù)測性給出玩家的得分。

2016年11月30日，約10萬玩家在游戲中生成了近1億個(gè)隨機(jī)數(shù)，并傳遞給全球13個(gè)不同版本的貝爾實(shí)驗(yàn)。

想象一下大鐘測試

正如今年年初Big Bell的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)所披露的，所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明量子力學(xué)成立。米切爾說:“如果人類有自由意志，那么大鐘實(shí)驗(yàn)填補(bǔ)了選擇的漏洞。”

但人有自由意志是一個(gè)極其哲學(xué)的假設(shè)，目前并不可靠，但確實(shí)有辦法規(guī)避這個(gè)問題。

每一個(gè)時(shí)間上的事件空，比如愛麗絲和鮑勃，都有一個(gè)“過去光錐”:一個(gè)時(shí)間空體積，一個(gè)可以影響事件結(jié)果的“隱藏因子”，通過盡可能減少用于生成測量設(shè)置的隨機(jī)事件與過去的相關(guān)性，也就是盡其所能，

這是麻省理工學(xué)院的安德魯·弗里德曼和大衛(wèi)·凱澤以及哈維·穆德學(xué)院的杰森·加里奇奧提出的替代方案。

大衛(wèi)·凱澤說:“我們試圖將隨機(jī)數(shù)生成工作外包給宇宙本身，以獲得最大的隨機(jī)性?！?/p>

宇宙形成的實(shí)驗(yàn)

他們進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是迄今為止最大的量子力學(xué)測試實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)計(jì)劃用6個(gè)望遠(yuǎn)鏡和一系列光學(xué)裝置收集一些數(shù)十億年前星系發(fā)出的光，并將驗(yàn)證范圍擴(kuò)大到整個(gè)宇宙時(shí)間空，從而判斷愛因斯坦生前的著名觀點(diǎn)“量子力學(xué)的奇異性只是因?yàn)槲覀兊恼J(rèn)知不完整”是否正確。

這個(gè)方案思路很簡單，但也很激進(jìn)。

愛麗絲和鮑勃可以使用望遠(yuǎn)鏡接收遙遠(yuǎn)天體發(fā)射的光子，并利用每個(gè)光子的顏色屬性生成決定測量結(jié)果的隨機(jī)數(shù)。例如，比閾值波長更紅的光子可以觸發(fā)兩個(gè)偏振方向之一的測量，而比閾值波長更藍(lán)的光子可以觸發(fā)另一個(gè)方向的測量。通過利用宇宙本身的光子來設(shè)定測量參數(shù)，并證明量子力學(xué)仍然有效，可以證明在光傳播到地球的過程中，不存在可以影響測量設(shè)定的“隱藏因素”。

為了將這一想法付諸實(shí)踐，凱澤和他的同事們與奧地利量子光學(xué)和量子信息研究所的安東·澤林格、博士生張秀坤·勞奇主任進(jìn)行了合作。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們將糾纏光子源放置在維也納玻爾茲曼加塞研究所的屋頂上，而愛麗絲和鮑勃分別位于兩棟建筑中。Bob在自然資源與生命科學(xué)大學(xué)五樓，光子源以北約1150米，Alice在奧地利國家銀行九樓，光子源以南約550米。

圖圖自然資源與生命科學(xué)大學(xué)

每當(dāng)夜幕降臨，兩地的研究人員都會用小型望遠(yuǎn)鏡觀測天空中南北方向的恒星空，望遠(yuǎn)鏡采集到的光子信息會通過光纖傳輸?shù)侥軌驕y量波長的儀器上。如果光子的波長小于700 nm，儀器會以一種方式產(chǎn)生一個(gè)結(jié)果，反之亦然，然后根據(jù)天體發(fā)出的光子隨機(jī)產(chǎn)生0和1來設(shè)置測量參數(shù)。

和之前所有的實(shí)驗(yàn)一樣，維也納屋頂實(shí)驗(yàn)也表明了量子力學(xué)是正確的，在光子到達(dá)地球的600年左右的時(shí)間里，不存在可以影響觀測設(shè)定的“隱藏因素”。

然而，凱澤和他的同事們最初提出了一個(gè)比維也納屋頂實(shí)驗(yàn)更雄心勃勃的計(jì)劃，想利用距離地球數(shù)十億光年的類星體作為隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。

研究小組成員托馬斯·謝德爾說:“類星體是離我們最遠(yuǎn)的物體之一，它的光強(qiáng)可以用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀察到，但我們需要更大的望遠(yuǎn)鏡來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?！?/p>

和維也納的屋頂實(shí)驗(yàn)一樣，新的實(shí)驗(yàn)也需要三個(gè)不同的地理位置來放置愛麗絲和鮑勃這兩個(gè)地方以及它們之間糾纏的光子源。

拉帕爾馬的羅克·德·洛斯·穆查科斯山頂上有一架大型望遠(yuǎn)鏡，幾乎是實(shí)驗(yàn)的完美之選。愛麗絲將使用意大利的伽利略國家望遠(yuǎn)鏡收集光子，鮑勃將使用荷蘭、西班牙和英國共同資助的威廉·赫歇爾望遠(yuǎn)鏡收集光子，由集裝箱制成的臨時(shí)辦公室位于斯堪的納維亞北歐光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的停車場，該停車場幾乎就在愛麗絲和鮑勃之間，距離他們大約500米。

在實(shí)驗(yàn)中，愛麗絲和鮑勃觀測到的類星體分別距離地球78億光年和122億光年。研究人員收集并分析了近18000對光子數(shù)據(jù)，結(jié)果再次表明量子力學(xué)是正確的。

加那利群島拉帕爾馬的意大利伽利略國家望遠(yuǎn)鏡

如果愛因斯坦想象中的宇宙真的存在，它可能還不在我們的搜索范圍內(nèi)

因?yàn)閮蓚€(gè)類星體在天空中的方位不同空，它們過去的光錐只重疊了131.5億光年左右，排除了96%可能的“隱藏因素”。

凱澤說:“事實(shí)上，他們過去的光錐已經(jīng)延伸到宇宙誕生時(shí)的大爆炸?！?/p>

圖|

但是問題依然存在，雖然實(shí)驗(yàn)解決了局部漏洞問題，最小化了選擇漏洞問題，但是采樣漏洞依然存在。

在實(shí)驗(yàn)中，光子需要通過空氣體從光源傳輸?shù)綈埯惤z和鮑勃，這意味著需要足夠的光子來保證探測器的探測率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。凱澤說:“我們甚至沒有試圖填充采樣孔。”

與此同時(shí)，由曾是澤林格和中國科技大學(xué)學(xué)生的潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的中國團(tuán)隊(duì)針對他們實(shí)驗(yàn)中的三個(gè)漏洞采取了一些措施。

他們利用光纖將糾纏光子從光子源傳輸?shù)缴虾＝紖^(qū)的愛麗絲和鮑勃，以最大限度地減少光子的損失，并利用距離地球約11光年的恒星發(fā)出的光產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)來設(shè)置觀測參數(shù)。結(jié)果也表明量子力學(xué)是正確的。

目前有兩個(gè)團(tuán)隊(duì)正在考慮如何進(jìn)一步控制漏洞對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，比如用大爆炸產(chǎn)生的、來自宇宙微波背景輻射的光子設(shè)置觀測參數(shù)。凱澤說:“這是一個(gè)非常吸引人卻又陰暗的想法。要知道，宇宙中沒有比背景輻射更老的光子?！?/p>

雖然兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)不能完全說愛因斯坦的想法是錯(cuò)的，大多數(shù)物理學(xué)家對量子力學(xué)的可靠性已經(jīng)達(dá)成共識，不會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果感到驚訝，但也不排除愛因斯坦的正確性的可能性，但如果愛因斯坦想象的宇宙真的存在，到現(xiàn)在應(yīng)該已經(jīng)被推出宇宙的一個(gè)小角落了。

關(guān)于量子力學(xué)的問題可能和以前一樣深不可測。但對凱撒來說，這就是他們值得慶祝的原因。凱澤說:“我覺得量子理論現(xiàn)在看起來和以前一樣好，而且還是很棒的?！?/p>

-結(jié)束-

參考:

https://www . newscientist . com/article/mg 24032040-100-Einstein-was-error-why-normal-physics-cant-explain-reality/

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