科學中最深刻的發現—貝爾不等式,一個決定上帝是否擲骰子的公式

2021-02-15 NASA探索者




愛因斯坦堅信斯賓諾莎的上帝,認為大自然規律就是「上帝」,但是量子力學中的不確定性原理讓愛因斯坦感到不安,在和波爾的爭論當中,愛因斯坦說出了那句名言——上帝不擲骰子!

在1935年,愛因斯坦為了論證量子力學哥本哈根學派的不完備性,提出了著名的「EPR佯謬」,該佯謬經過玻姆簡化後的版本為:

一個母粒子分裂成兩個相反方向的A粒子和B粒子,理論上A、B具有相反的自旋方向,當A和B相聚很遠後,量子力學的哥本哈根學派認為我們對任何一個粒子的測量,將會瞬間影響遠在另一邊的粒子,這在愛因斯坦看來是一種超距作用,愛因斯坦則認為兩個粒子在分開時狀態就是確定的,與你何時測量沒有任何關係。

隱變量理論

為了解決這個問題,愛因斯坦著手建立隱變量理論來代替不確定性原理,隱變量認為量子隨機並非真正意義的隨機,而是存在更深層的物理機制,只是我們還沒發現這個機制而已,一旦我們發現了其中的機制,「不確定原理」也將變成確定的。

或許是愛因斯坦把精力都放在了統一場論當中,沒有花太多精力在隱變量理論上,扛起隱變量理論大旗的是另外一位物理學家玻姆,玻姆使用超高的數學技巧打造了一個看起來可行的隱變量,但是其中的假設過於累贅,比如他假設了一個存在但是永遠無法探測到的「勢場」,與奧卡姆剃刀原理相悖,但是不管怎麼樣,隱變量理論是存在可能的。

然後一位數學大神出來搗亂了,說馮·諾依曼是20世紀最偉大的數學家之一,誰敢質疑?

1932年時的馮·諾依曼已經名滿天下,他在《量子力學的數學基礎》一書當中,以純數學的數理邏輯,否定了隱變量理論的存在,以他的威望,當時沒有人質疑,於是隱變量理論逐漸被人們冷漠了。

直到20多年後,才有人發現馮·諾依曼的錯誤,馮·諾依曼的論證依賴於五個假設,前面四個假設是沒有問題的,問題出在第五個假設,數學描述為(A+B+C,ψ,Y)=(A,ψ,Y)+(B,ψ,Y)+(C,ψ,Y),而且是非常低級的錯誤,換個比喻,該假設的意思是指「一個班學生的平均身高為170cm,那麼班級上所有人的身高都是170cm。」以至于貝爾在一次訪問中毫不客氣地談到:「馮·諾依曼的證明不僅是錯誤的,更是愚蠢的。」

貝爾是誰?

約翰·斯圖爾特·貝爾(1928.6.28—1990.10.1),從小表現出極高的才智,大學主修實驗物理,畢業後先在英國原子能研究所工作,然後轉去歐洲粒子中心。

貝爾把自己標榜為愛因斯坦的忠實追隨者,對玻姆的隱變量理論非常感興趣,隱變理論和量子力學的爭論,本質上是關於「定域性」和「實在性」的問題。

定域性:一定時間內,因果關係只會維持在特定的區域。也就是說沒有超光速信號的存在。

實在性:真實事物客觀存在,不依賴於觀察者。

貝爾不等式

貝爾注意到,愛因斯坦和波爾的爭論,關鍵就在於愛因斯坦提出的「EPR」當中,1964年,貝爾發表了名為《論EPR佯謬》的理論,文中以簡單清晰卻又深邃精煉的證明過程,得到了大名鼎鼎的「貝爾不等式」,被譽為「科學中最深刻的發現」,該論文也成為20世紀物理學名篇。

要推導貝爾不等式的基本形式不難,只需要一點簡單的中學知識即可,在這我完全可以給大家展示推導過程,回到之前的EPR佯謬當中:

一個母粒子分開為A粒子和B粒子,我們考慮兩者的自旋方向,由於我們生活在三維空間中,所以選擇三個方向坐標(x,y,z)進行觀測,xyz不需要相互垂直,由於每個方向上的自旋只有"+"和"-"兩種情況,所以對每個粒子來說就有8種情況;對於兩個粒子來說,由於同一個方向上的自旋總是相反的,所以整體來說還是只有8種情況,我們把每種情況標定一個概率,分別是:

根據歸一性原則有:N1+N2+N3+N4+N5+N6+N7+N8=1

我需要解釋一個數學名詞——相關性,對於兩個研究對象來說,相關性指的是兩者的合作程度,如果兩者的行為總是相關的,那麼相關性就是100%(或者1),如果兩者行為完全不相關,那麼相關性就是0。

現在我們需要考察得更深一些,來看A粒子在x方向和B粒子在y方向上的相關性是多少?我們記為Pxy。

由於總的也就8種情況,我們只需要把符合相關性的概率加上,然後減去不符合相關性的概率即可,於是我們把符合Ax+以及By+,或者Ax-以及By-的概率加上,反之減去,根據表(1)很容易得出:

Pxy=-N1-N2+N3+N4+N5+N6-N7-N8;

同樣的方法,我們可以得到A粒子在x方向和B粒子在z方向上的相關性Pxz:

Pxz=-N1+N2-N3+N4+N5-N6+N7-N8;

然後是A粒子在z方向和B粒子在y方向上的相關性Pzy:

Pzy=-N1+N2+N3-N4-N5+N6+N7-N8;

有了上面四個公式,現在是展現數學技巧的時候到了,絕對值當中有這麼一個不等式|a-b|<=|a|+|b|,記住所有概率值都是非負數,於是有:

|Pxz-Pzy|=|-2N3+2N4+2N5-2N6|=2|(N4+N5)-(N3+N6)|<=2(N4+N5+N3+N6)

根據歸一性公式,我們可以湊一個「1」出來:

2(N3+N4+N5+N6)=1+(-N1-N2+N3+N4+N5+N6-N7-N8)=1+Pxy

於是我們得到了最終的結果:

|Pxz-Pzy|<=1+Pxy

這就是大名鼎鼎的貝爾不等式,恭喜你,你已經證明了宇宙中最深刻的定理之一。從證明過程我們可以看出,貝爾不等式是一個非常嚴密的數學定理,物理中僅僅依賴於定域性和實在性。可是貝爾發現,在量子力學中,當坐標夾角足夠小時,量子行為將會突破貝爾不等式!!!

這簡直就是大逆不道,量子力學居然可以破壞這麼嚴謹的定理,說明量子行為之間的相關性,是超出經典力學行為的。

實驗究竟如何呢?

直到1982年,科學家阿斯派克特才首次完成了第一代的貝爾實驗,他以鈣原子為光子對來源,然後把鈣原子激發到一定能級,當回落時就會釋放一對光子對,實驗巧妙地讓兩個光子飛出12米遠(光子需要飛40納秒),中間的一個偏振器平均10納秒可以改變一次方向,然後測量光子的合作程度。

一對對光子射向檢測器,愛因斯坦堅信的隱變量正在接受著考驗,3個小時過去了,科學家們長鬆了一口氣——量子力學贏了,愛因斯坦輸了!

實驗結果完全符合量子力學的預言,與愛因斯坦堅信的隱變量理論相差了5個標準方差,貝爾不等式被無情地突破,阿斯派克特的結果發表在當年12月的《物理評論快報》上。

圍堵實驗漏洞

針對阿斯派克特的實驗,科學家提出了檢測漏洞、定域性漏洞、以及隨機數漏洞,其他科學家也在試圖重複阿斯派克特的實驗,新的實驗技術也在發揮著作用,按照貝爾的設想,我們不能讓光子對提前知道觀測方向,於是實驗過程需要隨機改變偏振器方向。

1998年,奧地利科學家讓光子飛出距離400米,這樣就有足夠時間隨機改變偏振器方向,這次愛因斯坦輸得更慘,差了30個標準方差,實驗結果完全符合量子力學預言。

2015年,科學家用更巧妙的實驗,徹底排除了局域性漏洞和檢測漏洞,實驗結果以96%的置信度符合量子力學預言。

為了徹底堵上貝爾實驗中最後一個漏洞——隨機數漏洞,在2016年底,科學家進行了大貝爾實驗,在全球隨機選擇3萬人,然後這3萬人憑藉自己的自由意志隨機得到一個數,再來進行貝爾實驗,如果有人還對隨機數漏洞存在質疑,那麼就是質疑這3萬人的自由意志。

在2018年,中科大教授潘建偉等人,首次實現了利用11光年外的星光產生隨機數,來排除貝爾實驗中的隨機數漏洞,成功驗證了量子力學的完備性,實驗光子對總不可能知道11年前遙遠星光的數據吧!

自此,隱變量理論已被徹底否定,貝爾不等式在量子力學中不成立,量子力學的哥本哈根學派經住了層層考驗;而貝爾不等式的破滅,說明我們宇宙的定域性和實在性至少有一個是不成立的,或者兩者都不成立,至於選擇留下誰和拋棄誰,目前科學界還沒有定論。

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