與量子糾纏有關的實驗,你知道幾個?

2020-12-01 極智教育

物理實在觀的研究,曾經引發了愛因斯坦等人提出EPR佯謬,今天的我們知道,對這個佯謬的研究讓我們對量子力學進行了深入的思考。

這個佯謬涉及到了微觀世界的實在性的思考,在這個佯謬中最重要的一條判據就是:如果測量的對象是兩個不再發生相互作用的體系,那麼對其中一個的任何操作或一個體系的任何演變都不會影響到另一個體系,不會對另一個體系發生物理實在性的改變。這也叫做「定域性假設」,定域性與實在性的關係已經被後來檢驗貝爾不等式實驗驗證,比如阿斯派特克實驗等。

定域性源於相對論中物質、能量和信息傳遞的極限速度是光速,有因果關係的兩個事件全被限制於各自光錐之中,光錐以外的發生的事件不能與原點事件發生物理上的因果聯繫,實在性非常自然地包含在經典物理之中,往往不需要我們拿出來討論,默認為這種條件就是滿足的,但是在量子物理裡面,實在性遭受到了嚴峻的挑戰。客觀實體的各種屬性本來是存在的,只要測量它便會反應出相應的屬性的數值形式,雖然測量一定程度上會改變原來狀態,但是我們能通過增強儀器的精密度和操作的規範性,使誤差降到最小,這些狀態雖然會受到測量的影響,可它不能無中生有地創造一些狀態,我們只是把已經存在的東西拿出來展現在人們面前而已。

量子力學實驗表明,如果實在性成立的話,那麼量子力學就是非定域的,而如若定域性存在,量子力學就不是實在的,從實驗結果可以知道,如果兩個系統的狀態是確定的,那麼它們以超過光速的某種信息來傳遞相互作用,如果兩個系統總的狀態已知,物理實體保留了定域性,那麼這兩個系統在類空間隔範圍內測量之前一定是未知的、不確定的,也就是不滿足實在性,測量後就會發生波函數坍塌。

在1935年,愛因斯坦與波爾多爾斯基、羅森三人聯合發表了《能認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎》一文,文中提出了歷史最著名悖論之一的佯謬,這場論戰出現高峰。佯謬基於以下假設:

1.量子力學對空間上可分開的兩個微觀粒子作出觀測後得到的預言是正確的。

2.在自然界中存在著不依賴於人的意識而獨立存在的物理實在,如果不對物理體系作出任何形式的幹擾,一定能精確地預言一個對應的物理要素的物理量值,而且任何客觀存在的物理實在都能存在這樣的對應,在一個統一的理論中能給出一個確定的物理量。

3.自然不存在超距作用,光速是宇宙中的極限速度,任何相互作用的傳遞速度不可能大於光速。

在愛因斯坦-玻爾論戰的過程中,實驗物理學家也在加快腳步驗證兩人的觀點到底哪個是正確的,其中最重要、最著名的就是貝爾不等式的提出與驗證,它基本上證實了愛因斯坦的定域的、決定論性的隱變量理論是不正確的。

關于貝爾不等式的實驗論證,自從1972年以來公布了九個關于貝爾不等式論證的實驗數據,其中有7個與量子力學相符,它們分別是:

(1)1972年與做的關於「鈣原子躍遷過程中輻射的低能光子」的實驗,與量子力學相符。

(2)1973年與做的關於「汞198原子躍遷過程中輻射的低能光子」的實驗,被證明與量子力學不符。

(3)1976年做的關於「汞202原子與躍遷過程中輻射的低能光子」的實驗,被證明與量子力學相符。

(4)1976年和做的關於「汞202原子躍遷過程中輻射的低能光子」,被證明與量子力學相符。

(5)1974年、與做的關於「電子與正電子湮滅放出的高能光子(γ射線)」與量子力學不符。

(6)1975年、和吳健雄做的關於「電子與正電子湮滅放出的高能光子(γ射線)」與量子力學相符。

(7)1976年和做的關於「處理單態的質子對」與量子力學相符。

(8)1981年、和做的關於「原子躍遷過程中的輻射級聯光子」,與量子力學相符。

(9)1982年、和做的關於「原子躍遷過程中的輻射級聯光子」,結論與量子力學相符。

由於7個與量子力學相符的實驗是在改進另外兩個的基礎上做的,精度也比另外兩個要高,並且實驗誤差不可能增加兩個粒子的關聯程度,所以我們認為實驗結果是肯定的,量子力學的預言是正確的,愛因斯坦的隱變量理論與實驗不符。還有人從貝爾不等式理論著手試圖推翻這個理論,比如隱變數的存在對於體系的穩定性會有什麼影響,還有機率分布密度的存在對測量會有什麼影響等,不過這些對貝爾不等式的形式修正不大,對整個大局影響不大。

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