長久以來,相對論與量子理論的碰撞如同物理學界的一場精神馬拉松,20世紀30年代,隨著戰火在歐洲蔓延,這一辯論暫時沉寂。戰火催生了人才的遷移,頂尖的物理學者紛紛踏上美國這片科學新天地。得益于美國經濟的蓬勃發展,科學界的春天似乎悄然降臨。
戰后,學者們重回學術海洋,迫不及待將量子理論應用于微觀世界,電子與光的互動已是科學常識,哲學的討論此刻顯得蒼白無力,退居幕后。量子力學的興起,對半導體的理解得以深化,由此催生的電子時代,為激光、通信、醫學和核能領域帶來了革命性的變化。
盡管量子力學的實際應用層出不窮,多數物理學家卻選擇對愛因斯坦的質疑視而不見,他們相信,只要能應用于現實,質疑便無足輕重。甚至有人以此自嘲:閉上眼睛,去計算吧!
然而,成功的光環背后,隱藏著愛因斯坦與波爾關于量子世界本質的討論。隨著時間的流逝,50年代的紛擾漸行漸遠,60年代的序幕開啟時,一個孤獨的聲音,試圖終結這場討論。
此人便是約翰-貝爾,一位在物理學界聲名顯赫,卻鮮為外界所知的英雄。他以勇氣和信念,成為一位真正的思考者。他苦苦思索的問題是:量子世界是否只在觀測之時才存在,抑或背后潛藏更深的真理?
貝爾的疑惑最終指向了量子力學的核心。他留下一句名言:“量子力學是否錯誤我尚在疑慮,但其腐化之深我已確信?!庇谑窃?0世紀60年代,貝爾決定直面量子力學的核心危機。究竟如何在不觀測的情況下,確定事物的真實性?如何窺視未揭帷幕的幕后世界?
面對挑戰,貝爾提出了一個天才般的構想,這無疑是物理學界歷史上最難理解卻又極富創意的想法之一。我們不妨用一個簡單的紙牌游戲來解釋它。
想象一位神秘的量子莊家,他手中的牌代表著亞原子粒子,甚至光量子。通過這個游戲,我們或許能揭示愛因斯坦與波爾的真理之爭。
游戲規則簡單:莊家發兩張牌,如果同色則我方勝,否則敗。譬如第一張是紅桃,要贏就得再來一張紅桃。根據概率,多玩幾次總會有勝局。但如果總是敗局,那一定是莊家在發牌時動了手腳,讓兩張牌顏色相反。
然而,揭穿莊家詭計的方法其實很簡單,只需改變游戲規則:這次,如果兩張牌顏色不同,我方便勝。但結果依舊,無論怎樣,莊家總能勝出,顯然,他一定在我們看不到的時候偷偷換了牌,讓結果總是對他有利。
這里,愛因斯坦所設想的正是在糾纏實驗中真實發生的:就像手套被放入盒子,莊家在出牌前已經調整好一切。但波爾的看法截然不同,他認為,在我翻開牌之前,紅與黑的概念并不存在。
貝爾的巧妙之處在于,他設計了一個絕妙的方法,徹底解決了到底誰對,是愛因斯坦還是波爾?他的做法是,先不告訴莊家要玩哪種規則的游戲,直到發完牌才揭曉!如此一來,莊家無法預先準備,自然無法總贏。
這個游戲映射了貝爾理論的核心。如果現在開始游戲,我和莊家的勝率相同,那么愛因斯坦就是正確的,莊家不過是個高明的騙子,通過手法操控一切,現實的存在可能微妙,但確是客觀的。但如果我總是輸呢?那么只能承認,沒有合理的解釋,每張牌似乎都能超越時空,秘密傳遞信號,無視我們所有的認知,我只能接受,在量子領域,現實或許是不可知的。
貝爾將他的思考凝結為一個簡潔的數學方程,精準地解答了那個懸而未決的問題:現實究竟是什么?貝爾在1964年公布了他的理論,但令人難以置信的是,整個物理學界對此漠然視之。寂靜之中,仿佛人們還未做好接受新知的準備??赡苁且驗樨悹柕姆匠炭此茻o法驗證,或者人們認為這個問題不值得深究。但變革的時刻終究到來,而它的發生,完全在意料之外。
當時的學者相信,如果兩個粒子之間存在超越空間的神秘通信,那么超感、心靈感應和透視等現象也可能真實存在,前提是能證明它們的存在。
1972年,通過數學工具的輔助,物理學家們證明了貝爾不等式,并著手進行實驗驗證。其中一位,約翰-克勞澤,從他的實驗室借來設備,搭建了第一個對量子力學進行檢驗的實驗裝置,并在隨后的十幾年間,由巴黎的阿蘭-阿斯佩
團隊進一步完善,提高了實驗的精確度。在貝爾提出他的理論十幾年后,人們終于能對其進行檢測了!
這是一個現代版的檢測實驗。激光通過晶體轉化為糾纏的光量子,變成兩束精密的光束,這些光子經過實驗設備,被反射,直至到達探測器。這兩個光子就像是量子莊家分發給我們的紙牌。實驗中要檢測的光子偏振特性,就如同游戲中紙牌的顏色。例如,兩張牌都是紅色贏得游戲,就如同兩個光子的偏振方向一致。但是,在量子世界,實驗比紙牌游戲要復雜許多。盡管如此,實驗結果無可置疑地證明了愛因斯坦的理論是錯誤的,而波爾是正確的。
這一實驗結果具有深遠的意義。它告訴我們,愛因斯坦關于現實的觀點不可能是正確的(至少在微觀世界中)。實驗證明,沒有任何巧妙的手法能夠欺騙自然,兩個糾纏的光子的特性不是在一開始就預定好的,而是在我們進行測量時才真實地顯現出來。
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