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北京工夫 10 月 4 日下午，2022 年诺贝尔物理学奖被授予科学家阿兰·阿斯佩 (Alain Aspect)，约翰·弗朗西斯·克劳泽(John F.Clauser) 和安东·塞林格(Anton Zeilinger)，以表彰他们“用纠缠光子进行的试验，建设了贝尔不等式的违反，并创始了量子信息科学”。
在哪里改一改
1975 年至 1982 年
阿兰 ·爱斯派克特 (1947—) 欧洲核子研究中心，贝尔办公室大门左近悬挂着一张莫迪利亚尼作品的画报，下面是一位戴着帽子、脖颈修长的男子，她的眼光和贝尔的眼光都凝视着 27 岁的阿兰·爱斯派克特——一个长着大胡子的和善的研究生，他正在热切地谈论着水箱。那是 1975 年初，爱斯派克特刚刚完结在法国的三年短期“兵役”，期间他始终在喀麦隆教书，而后回到了欧洲。他刚一回来，就经验了他所谓的“一见倾心”。他回顾说：“1974 年 10 月，我读了贝尔那篇的驰名论文《论爱因斯坦 – 波多尔斯基 – 罗森佯谬》，我对它一见倾心。
这是我做梦能力想到的最令人激动的课题。”他马上决定在母校——位于奥赛的巴黎南大学，把贝尔定理作为本人的博士研究课题。此时，克劳泽正在致力找工作。“我至多曾经向十几个中央提出了申请，后果一律被回绝了。”高校不违心延聘一名激励下一代人质疑量子实践根底的传授。最终，在位于美国奥克兰东部群山中的劳伦斯利弗莫尔国家实验室，克劳泽找到一个空缺，钻研等离子体——这是戴维 ·玻姆的首要喜好。在面试的时候，克劳泽宣称：“我基本不懂等离子体物理，但对于做物理试验，我懂得很多，我是个很有能力的试验物理学者。”他失去的回答是：“你能够学习等离子物理。”他于 1976 年被聘用，并在那里待了 10 年。在利弗莫尔，作为试验学家，他自高自大的技能失去了很好的利用，但也简直旷废了一项同样优良却没申明过的技能。
克劳泽有种天才，即便在老师行业中也很少见：他能向学生清晰、活泼、急躁地解释简单难解的常识。自从业以来，在 30 年工夫里，克劳泽素来没有找到过一所大学，能施展他所有的能力。弗莱在 2000 年解释说：“回顾 20 世纪六七十年代，驰名的物理学家们不喜爱提出无关量子力学的问题。我感觉，克劳泽多少受到了这种思潮的冲击——我认为，这是因为他实实在在地在做试验，而不是只探讨实践问题。”弗莱本人在学术上运气很好，在他做试验做到一半的时候，就取得了一生职位。30 年后，弗莱已是得克萨斯 A&M 大学的物理系主任。他得悉，学校做出这个理智的决定，还多亏了霍尔特在哈佛的导师弗兰克 ·皮普金的染指。弗莱的一个敌人得悉，大学任期委员会本打算否决这名贝尔实验者，于是请来了皮普金传授。皮普金对委员会说：“如果你只拿埃德的档案给我看看的话，我会很快否决他；然而如果用一天工夫看他做试验，我会通知你，这家伙很优良。而且，我敢判定，他会胜利的。”皮普金在原子物理上的声望战败了委员会的质疑。与贝尔定理相干的试验曾经背负了恶名，贝尔本人也强烈地意识到了这一 点，但爱斯派克特却始终没意识到。1972 年返回西非之前，爱斯派克特回顾说：“在经典物理学方面，我受到了相当好的教育，但我晓得，本人在量子物理方面受到的教育是很差的。”他在这方面上过的课中，解方程时简直不探讨物理意义，更别说任何有实践缺点方面的教诲了。在凑近赤道的喀麦隆的三年工夫里，爱斯派克特自学了量子力学。他用的是平凡的法国物理学家克劳德 ·科恩 – 塔诺季奇新写的一部教材。
爱斯派克特认为，这本书有两大长处，“第一，它是真正的物理学；第二，对于基础理论，它是中立的，没有给人洗脑的象征，没有说‘玻尔解决了所有问题’。”最初，他说：“我能解这些方程了，而且没被洗脑。”爱斯派克特说：“我齐全服气爱因斯坦和贝尔。”然而该做什么试验呢？在重读贝尔 1964 年发表的论文时，爱斯派克特发现文章的最初几行通知他“依然有一个重要的测试须要做”。爱斯派克特飞快地跑到日内瓦，把本人的想法通知了贝尔。贝尔在文章的结尾处用了一条警示性的正文。如果一个光信号有足够的工夫来分割粒子，那么，纠缠将失去大部分神秘性。贝尔写道，以光的速度替换信号能力“对仪器进行充沛设置，让它们达到某种互相协调”后，量子力学才可能令人信服地起作用。“在这种关联中，波姆和阿哈朗诺夫 (在 1957 年) 提议的那种试验至关紧要。在试验中，试验设置在微粒航行期间做了扭转。”这个试验的理论难题是：每个弗里德曼 – 克劳泽安装末端宏大、易碎的玻璃起偏堆无奈迅速挪动到设定地位。对此，爱斯派克特提出了一个丑陋的 (也是重要且便宜的) 代替计划，设置的次要成分是水。
爱斯派克特向贝尔解释说：“每个偏振器由一套蕴含一个转换开关安装，及其前面位于两个不同方向的偏振器代替。”在任意给定时刻，开关只关上通向其中一个偏振器的通道。“该转换开关将迅速使入射光从一个偏振器转向另一个偏振器”，不给光速信号留有导致仪器两端进行任何“协调”的工夫。他转身朝向黑板，在下面写下了“如果两个开关毫无关联地随机运行”这种状况下实用的不等式。爱斯派克特的“转换开关”是两个装满水的玻璃箱，两者之间的间隔在 42 英尺以上，别离位于产生光子的级联钙原子束的两侧，每个水箱都载有一种远高于人类耳朵听觉能力的声波 (位于水箱两端的变频器将电信号转变成这种超声波)。声波与光波不同，它须要一种介质，因而仪器内部空间很宁静。在所处的介质中，它们通过重复压缩舒张来静止。爱斯派克特的超声波在疾速震荡的增强点和平坦的削弱点之间轮转，增强点使水呈现疏密相间的条纹斑图，削弱点不对水产生影响。条纹斑图就像衍射光栅一样能使光产生偏折，从而射到旁边的偏振器上；不存在条纹斑图的时候，光就间接穿过来，射到主线的偏振器上。水波在条纹与均一态之间迅速变换，爱斯派克特解释道：“两个通道之间的转换大概每 10 纳秒就呈现一次”，这比光子在加热炉与水之间 21 英尺的间隔上流传要快 4 倍。他抵赖，这不是一个完满的打算，“因为它的变换不是真正随机的，更像是类周期的。不过，在两边的两个转换开关将被不同频率的发生器管制”。这意味着，两个水箱将以不同的速率振荡，而且在理论过程中频率会产生漂移。爱斯派克特说：“那么，天然能够假如它们在以一种毫不关联的形式运行。”爱斯派克特热切地实现他的形容后，他静静地站着，等着贝尔答复。贝尔略带讥刺地问了他第一个问题：“你有一生教职吗？”爱斯派克特只是一名研究生，但因为法国体制的独特性，他在巴黎低等师范学院的职位实际上就是永久性的，这让他与美国同行造成了强烈比照。但即便有这个有利条件，他要做的事也是不容易的。贝尔正告他：“你会经验残酷的奋斗。”然而，恶名不是他放心的惟一问题：“一个人不应该把所有工夫都花在钻研概念上。你是一个实验者，这会让你好高鹜远，所以你不会处于危机地步；而我，我是一个理论家，我必须把个人爱好留给这个课题。“如果你终日思考这个问题，你就有发疯的危险。”弗里德曼逐步淡出了贝尔物理学，但他发现，即便在 30 年当前，这一试验课题依然萦绕在他心头。“贝尔试验是个毫无价值的试验(这是个测量后果与预期 没有偏差的试验)。在我参加其中的那段时间里，我曾经做了 24 次没价值的试验，后果发现，你不心愿呈现的那些事件事实上也的确没有呈现。这就是我开启事业的形式。”正如弗里德曼在 2000 年所说的，他在事业上“不变的主题”是“如果你晓得正确答案是什么，那的确帮忙很大：如果你没失去正确后果，你能够猜想是不是试验仪器出了什么问题——那或者就是问题的所在”。弗里德曼笑了笑，说：“因为迈入了一个正在产生着激动人心事件的畛域，我取得了很大的名誉。而后，没产生任何有意义的事，我就来到了。”然而，最初一句话是不可言传的。霍尔特也把贝尔和 EPR 实践抛在了身后，而转投“面包加黄油”物理学，他的仪器本来就是为此而设计的。他开始了一个新事业，通过级联光子测量原子寿命，利用激光测量光谱，以及测量对于量子力学来说很难解决的原子能级(理论 是除氢原子之外的任何原子)。回顾以往，霍尔特说：“能够说，我在 CHSH (克劳泽 – 霍纳 – 奚模尼 – 霍尔特) 中只是一个小角色。”而后，他笑了笑，“但我的错 误后果却轰动一时。”
随着弗里德曼的淡出，这段经验让霍尔特开始思考迷信如何后退。“有一个很有意思的迷信法令：一个谬误的答案较之于刚好在课本中找到的答案，总能使相干畛域变得更刺激——一个谬误的后果令人们兴奋。真头疼。“显然，你并不心愿产生那样的事——一个实践学家提出一个猜想性的新实践，再被颠覆也不错。但一个试验学家应该十分审慎，其误差限度应该是正当的。可怜的是，在这个试验中，无论你在何时寻找强相关性，任何一种你能设想到的系统误差都会将之减弱，并使之指向暗藏变量的领域。这是个艰辛的试验。在那些日子里，我曾经用这类设施试过各种速率……我能说什么呢？”他耸了耸肩，笑着说，“我把事件搞砸了。”然而，到底哪个试验是对的，并不像这些试验要说明的量子力学那样清晰。霍尔特说：“问题是，我是名科学家，我偏向于置信答案就是大自然的话，而不是只有想一想，就能提前晓得的那些货色。并且，我始终认为量子力学是美好的，因为它是一个奇观——”他笑着说，“它是一种咱们这些‘迷信祭司’能发现的机密常识……”他解释说：“这并不是说我要激进机密，但如果所有都那么不言而喻，如果你仅 仅到处扫一眼就能看懂整个宇宙，那就没什么意思了。量子力学很奥妙——这就是 它的魅力。“对我来说嘛，我在物理学上的所有趣味，都是因为本人想晓得这些问题的答案……并且，”他简略而略带心愿地说，“我当初还不晓得答案……这是件令人丧气的事……我认为还要用很长时间，人们才会明确量子力学的外延。当初所有这些试验分明地表明：你至多必须临时承受，要用量子力学的形式去思考察看不到的事物的状态。而且，至今这还是一件不令人满意的事。
“量子力学依然是——无论怎么说，它都是一个未竟的事业。但我置信，事件会在一个意想不到的方向上获得冲破……咱们可能基本不用去解决那些原先呈现的问题。这些问题会在某一天隐没，因为咱们会发现，兴许是咱们问错了问题。”1975 年，迈克 ·霍纳也认为本人正在来到贝尔物理学。他和奚模尼迷恋上了 一套丑陋的新试验仪器——赫尔穆特 · 劳赫刚刚在维也纳创造的中子干涉仪。与克劳泽试验展现了光的粒子性造成鲜明对比，劳赫的仪器戏剧般地展现了物质的波动性。就如霍纳活泼地描述的那样，在 19 世纪的最后几年，平凡的物理学家托马斯 ·杨“用试验显示，两束雷同亮度的光的叠加 (或重合) 可能产生光明。而且，在略微不同的条件下，还能使它达到任意一束光亮度的四倍”。霍纳笑着说：“这就是说，1 加 1 等于 0，然而在其余条件下，它等于 4。”这被称为干预，它意味着波的存在。然而，劳赫正在用实物粒子展现这些稳定景象的个性。产生于核反应堆中沸腾热核的大量粒子、中子束，像波一样相互干预着。中子干涉仪为中子提供了两条可供选择的 V 形门路，这就像一个孩子抉择通过高空或天花板，将球反弹给他的敌人。不管怎样，中子进入干涉仪后，撞击到“高空”或“天花板”，它最初的起点是一样的。因而，终点雷同但门路不同的两个中子，起初将再次相遇。两条门路一起来看，就勾画出一个菱形。当中子相遇时，它们就会互相干预。令人关注的是，即便是单个中子进入干涉仪，它也会与本人产生干预。这和许多量子力学难题一样，是难以描述的，它就如同是一个中子同时在两条门路上流传一样。霍纳和奚模尼沉迷在两个粒子的神秘纠缠中曾经有 10 年了。当初，他们被这个不堪设想的单粒子效应搞得心烦意乱。霍纳回顾说：“阿伯纳和我都认为，这将是一个十分有价值的安装，人们将会对它玩味钻研多年。”刚一开始，霍纳和奚模尼就意识到，它可能用来演示自旋为 1/2 的粒子，比方中子，只有当它在某个地位旋转两周后，才会回到初始地位。这种令人兴奋的可能性也引起了其余关注量子力学 根底的人的趣味。在奚模尼与霍纳发表论文之前，从他们那里沿马萨诸塞州收费公路向南，在阿默斯特校区的赫伯 ·伯恩斯坦也提出了这个试验倡议。劳赫立刻与一位与霍纳年龄相仿的年老奥地利物理学家安东 ·泽林格在维也纳进行了这个试验。不久后，在意大利西西里岛埃里塞举办的贝尔物理学研讨会上，泽林格再次露面。霍纳记得，包含贝尔与奚模尼在内的 15 个或 20 个与会人员中，“只有一个人没有议论两个粒子(他议论的是单个粒子)，他就是安东”。现在，霍纳也对单个粒子感兴趣，他回顾说：“咱们立即就很投缘了。”一个谈话柔和的美国南方人和一个魅力超常的奥地利人，两个大高个子的长着胡须的男人惺惺相惜，进行了深刻交谈。
霍纳回顾说：“咱们一起探讨了很多天，他开始向我介绍中子干预测量的细节，我通知了他很多那时候他显然没有参加的事件……”泽林格回顾说：“这是我第一次真正接触国际性迷信组织。在那里，我第一次据说贝尔定理、EPR 佯谬、纠缠等诸如此类的概念。不用说，我不能真正了解这些概念都是什么，然而我有预感，这是十分重要的货色。”他曾经着迷了，致力从霍纳那里学习对于纠缠的所有常识。当霍纳回到家，他径直来到克里夫 ·沙尔在麻省理工学院的实验室——他据说过那里对于中子干预测量的风闻。驰名的沙尔，身高比霍纳的一半高一点，他受人爱戴，创始了中子衍射的钻研畛域——对显著是粒子的中子的稳定个性加以利用。沙尔在 1975 年实现的这项工作于 20 年后为他博得了诺贝尔物理学奖。当奖项颁发下来的时候，他的合作者厄尼 ·沃伦曾经逝世了。霍纳对沙尔说：“我据说，你正在建一个叫中子干涉仪的小型根底量子仪器，我想用用！能够吗？”沙尔答复：“当然能够。把那张桌子搬到那边去。”霍纳回顾说：“这样，我刚好能坐下来。从那之后，每个星期二我都去那儿 (我星期二在石山学院没有课)，而且在接下来的 12 年里，在周末、每个节假日、圣诞节假期和寒假，我常常去那儿。”对于一个既不是理论家也不是试验家的人来 说，“我恰好是介于两者之间的那种人，或者说，两者兼具。”那真是“乏味的 12 年。当他们想去搬铅块，我就和他们一起去搬铅块”。而当他们须要粗浅的洞察力来打算试验的细节时，随和的霍纳也擅长于此。
霍纳在沙尔的实验室里动工后不久，泽林格也露面了。他和家人一起来了美国。泽林格二心要做中子干预测量试验，而且就像霍纳笑着回顾的那样，二心要买“他能失去的美国最大的汽车——奥兹莫比出产的‘海洋巡洋舰’，真的像游艇一样 大的货车”。接下来出场的人是丹尼 ·格林伯格(实际上，他是回到了母校)，一名来自布朗克斯的滑稽、矮胖的纽约人。自从几年前中子干涉仪被创造后，他就开始追踪。他曾想去钻研引力对一个中子干预的影响——简直在中子干涉仪刚刚投入使用后，这个试验便开始在密苏里州起步了。在最后的一次中子干预测量讨论会上，格林伯格见到了霍纳和泽林格，他记得：“咱们出奇地投缘，所以我开始定期去麻省理工学院。并且，克里夫十分反对咱们三人。”沙尔是“一个可恶的人”。格林伯格把出访实验室的那 10 年称为他“职业生涯中的巅峰，能够说，和很棒的共事做趣味十足的事，很有意思”。这场历经 10 年的摸索，将发现比以往更加奇怪的三个粒子的纠缠。
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作者：[美]路易莎·吉尔德（Louisa Gilder）
译者：李树锋 阮冬
这是一部属于量子力学的“小说”，物理学大师们是故事的配角。这也是一段波澜壮阔的人类思想史，重现了近一百年来人类最平凡的迷信和哲学思想的诞生与演变。《纽约时报》年度优良图书，《天然》杂志倾力举荐。