愛因斯坦的「定域實在論」再次受到挑戰

博科園：科學科普-物理學類

現如今，物理學家基本上都認為愛因斯坦對量子力學的懷疑是錯誤的。2016年11月30日，一項涉及到全球五大洲、12個實驗室中的13個貝爾實驗、100多位科學家、以及超過10萬名遊戲玩家的「大貝爾測試」進一步地驗證了這一觀點。實驗結果被發表於2018年5月9日的《自然》雜誌。

○ 量子力學再次被驗證。| 圖片來源：The Big Bell Test

當你緊閉雙眼而無法看到這個世界時，你不能因此假設這個世界不復存在。同樣的，早在人類懂得觀賞月亮的時候，月球便一直存在著，並且繞著地球運行。然而，量子力學卻認為一旦對這個世界進行觀測，就會改變它。

玻爾（Niels Bohr）是量子力學的領袖人物之一，他甚至認為在對如「原子的位置」這類可觀測量進行測量之前，它是毫無意義的。如果這一觀點正確，就意味著觀測的行為至少會改變這個世界，甚至可能會創造世界。這同經驗所告訴我們的獨立的實在是完全相反的。自1927年玻爾發表自己的觀點後，物理學家和哲學家就一直對玻爾的詮釋進行激烈的辯論。

在反對玻爾的聲音中，愛因斯坦（Albert Einstein）尤為突出。在他和玻爾之間長達多年的辯論中，愛因斯坦認為實在論和定域性這兩個原理是基本的。前者描述的是即使是在觀測之前，物體也應該具有定義明確的性質；後者則是指物體只能對其周圍的事件作出直接反應從而產生變化，遙遠的事件無法瞬間影響物體。

○ 1935年愛因斯坦等人發表的論文，EPR是以三位作者名字的第一個字母命名的。該論文被物理評論快報評選為125年來最重要的論文之一，詳見：《125年來，物理學都取得了哪些突破性的進展》。| 圖片來源：Physical Review

1935年，愛因斯坦聯合他的同事波多爾斯基（Podolsky）和羅森（Rosen）對玻爾的詮釋發起了一次猛烈的攻擊，他們所設計的一個思想實驗被稱為「EPR悖論」。這個思想實驗描述了定域實在論（即定域性和是實在論共同成立）和量子力學完備性之間的矛盾。EPR論文正是建立在定域實在論這個基本假設之上的，因此愛因斯坦等人認為量子力學應該被一個更加完備的理論所代替，一個能夠表明即使在沒有觀測情況下也能知道發生了什麼的理論。

EPR悖論利用了量子力學的數學來描述一對位於不同位置上的「糾纏」粒子。根據玻爾的詮釋，如果你測量了其中一個粒子的狀態，你就立即知道另一個粒子的狀態，無論它們之間的距離有多遠。愛因斯坦認為這是不可能的，並把這種可以超光速的作用稱為「鬼魅般的超距作用」。

○ 對於糾纏的粒子對，如果你知道其中一個粒子的狀態，就立即知道另一個粒子的狀態，即使它們分別位於宇宙的兩端。| 圖片來源：Astronomy Magazine

為了更加清楚地理解什麼是量子糾纏，我這裡舉一個簡單的例子。假設我買了一雙手套，把其中一隻寄給在北京的小明，把另外一隻寄給在杭州的小紅。由於他們都知道我愛開玩笑，當小紅打開包裹時發現了一隻左手套，她立即就知道小明會收到右手套。「成對」的手套意味著它們是一個「糾纏」系統。

手套糾纏和量子糾纏之間的區別在於，手套早就已經有了註定的結果。當我在幾天前把手套郵寄出去的時候，就已經註定了結局。即使我不知道我給他們寄的手套分別是哪只，但不是這隻就是那隻，總有一隻手套在其中一個包裹裡。小紅不可能打開包裹的時候發現裡面居然是一隻鞋子。但量子糾纏告訴我們，包裹裡有可能是鞋子。在量子世界中，我所知道的只是我郵寄出去了一對東西。它可能是手套、鞋子或襪子，而且小明和小紅也不可能知道包裹裡究竟是什麼，直到它們打開包裹。但在小明打開包裹看到左手套的那一刻，他就立即知道小紅收到的是右手套。

如果這聽起來很奇怪，不要擔心，你並不孤單。即使是物理學家也會覺得這樣的現象是非常詭異的。詭異到有些人認為肯定有什麼神秘的事情發生，偷偷地告訴這兩個粒子要怎麼做。我們或許不知道結果會是什麼，但是兩個粒子知道。

面對這樣的問題，物理學家分為兩個陣營。一方是站在玻爾這一邊，他們認為當你對糾纏粒子對的其中一個粒子進行測量時，它瞬間坍縮成一個狀態（比如自旋向「上」），我們就立即知道另一個粒子的狀態（自旋向「下」）。而另一方則加入愛因斯坦的陣營，認為量子力學是不完備的，測量結果肯定是受到了某種定域「隱變量」的預先決定，只是我們沒有探測到它。換句話說，兩個粒子的自旋狀態雖然看起來是隨機的，但卻可能是在兩個粒子分離的那一刻（或之前）就決定好了。

究竟孰是孰非，這是一個需要通過實驗才能得到判定的事情。到了1964年，物理學家貝爾（John Bell）提出了著名的「貝爾不等式」，使討論不再停留在哲學層面。「貝爾測試」可以用來檢驗這奇異的量子特性究竟是由定域隱變量決定的（即粒子的性質在測量之前就已經決定了），還是由非定域的量子糾纏所導致（非定域代表可以超光速傳播）。科學家通過對不同的糾纏粒子進行獨立的測量，如果在統計上，粒子對中粒子間的相關性超過了一個上限，就不能用隱變量來解釋了，也就意味著結果更符合量子力學的預測。

貝爾測試的基本思想很簡單：實驗者需要產生一對糾纏的粒子——通常是光子，並將它們送往兩個不同的實驗站，在那裡它們的其中一個性質（比如自旋或極性）會被測量。如果測量發現這兩個粒子產生的結果一致，就意味著要麼對其中一個粒子的測量會立即影響到另一個粒子的性質，要麼測量本身會導致粒子擁有該性質。如果測量的結果不相符，那麼就驗證了愛因斯坦的定域實在論。

然而在過去的幾十年裡，所有貝爾測試的實驗結果都偏向於量子力學。但這些實驗都無法給出一個完美的判定，因為每個實驗都至少包含了這樣或那樣的漏洞，使得測試的結果能夠以與定域實在論相一致的方式來解釋。

其中一個未被解決的漏洞被稱為「自由選擇漏洞」，它表明研究人員選擇測量量子粒子的方式可能會影響測量的結果。在過去的貝爾測試中，研究人員會選擇量子粒子自身的某些方面來決定如何測量糾纏的粒子。換句話說，自由選擇成為了「定域隱變量」，解釋了在測試中獲得的結果。這將使實驗結果無效，因為這就像是讓學生給自己出考題一樣。

○ The Big Bell Quest。 | 圖片來源：ICFO

為了消除這個問題，研究人員必須在他們的測量選擇中引進隨機性的來源。科學家發現如果作出的測量選擇的人類，而不是像過去一樣通過隨機數發生器，那麼這個漏洞就可以被修復。為此，研究人員開發了一個名為「The Big Bell Quest」的遊戲，並邀請全世界的玩家共同參與。

2016年11月30日，全球超過10萬玩家通過手機或其他設備參與了這場遊戲，從而將隨機性引進量子系統的測量中。他們在過關遊戲中需要快速隨機地按下「0」或「1」，這些隨機產生的比特隨後被分配到全球13個不同貝爾測試的實驗室中去。在不同的貝爾測試實驗中，也運用了各種不同的糾纏粒子和系統，包括光子、單原子、原子系綜與超導器件。由於這些比特的模式是無法被預先猜測的，因此它們是有效的隨機性來源，這也就意味著這些貝爾測試的結果不再受制於自由選擇漏洞。

○ 「貝爾員正在玩The Big Bell Quest。| 圖片來源：The Big Bell Test

發表於5月9日的實驗結果也與預期中的一樣：再次違背了定域實在論。雖然此次的結果似乎很有說服力，但物理學家還是會不斷地進行此類的糾纏實驗，因為要完全證明糾纏存在是非常困難的。研究人員可以做更多的實驗來支持糾纏的存在，但沒有實驗能夠排除每一個替代的理論。

博科園-科學科普｜文：魔理郎｜來自：原理（principia1687）｜參考：nature，thebigbelltest，motherboard.vice