关于物理:2022诺贝尔物理学奖曾背负恶名的贝尔理论与历经10年的探索

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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。

正文完
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