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深度長(zhǎng)文:玻爾與愛(ài)因斯坦到底在爭(zhēng)論什么?貝爾不等式的終極裁決

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20世紀(jì)初,量子力學(xué)的誕生徹底顛覆了人類(lèi)對(duì)客觀世界的認(rèn)知,它以驚人的精度解釋了微觀粒子的奇特行為,卻也引發(fā)了物理學(xué)界一場(chǎng)持續(xù)數(shù)十年的激烈爭(zhēng)論。

這場(chǎng)爭(zhēng)論的核心,是關(guān)于物理世界的因果性與客觀性的本質(zhì)探討,爭(zhēng)論的雙方,是以愛(ài)因斯坦為精神領(lǐng)袖的經(jīng)典學(xué)派,和以玻爾、海森堡、波恩為核心的哥本哈根學(xué)派。



哥本哈根學(xué)派提出的量子論“哥本哈根解釋”,以波恩的概率解釋、海森堡的不確定性原理和玻爾的互補(bǔ)原理為三大支柱,其中波恩的概率解釋與海森堡的不確定性原理共同摧毀了經(jīng)典世界中根深蒂固的嚴(yán)格因果性,而互補(bǔ)原理與不確定性原理則聯(lián)手搗毀了人們長(zhǎng)期堅(jiān)信的世界絕對(duì)客觀性。

這種顛覆性的觀點(diǎn),讓堅(jiān)守經(jīng)典物理學(xué)信念的愛(ài)因斯坦等人難以接受,他們始終認(rèn)為,哥本哈根理論“不一定是錯(cuò)誤的,但一定是不完備的”,在量子力學(xué)的表象之下,必然存在一個(gè)更根本、更完備的理論,能夠重新賦予物理世界嚴(yán)格的因果性和絕對(duì)的客觀性,將物理學(xué)拉回到人類(lèi)可理解的“正常軌道”上來(lái)。

這場(chǎng)橫跨數(shù)十年的科學(xué)爭(zhēng)論,不僅是兩種物理理論的碰撞,更是兩種世界觀的交鋒。



經(jīng)典學(xué)派堅(jiān)信,物理世界的運(yùn)行遵循著嚴(yán)格的因果規(guī)律,無(wú)論我們是否觀測(cè),客觀事物都始終以確定的狀態(tài)存在著——就像我們閉上眼睛,月亮依然掛在天空,地球依然在圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn),這種“實(shí)在性”與“因果性”是物理學(xué)的基石,也是人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的基本前提。

而哥本哈根學(xué)派則認(rèn)為,微觀世界的規(guī)律與宏觀世界截然不同,嚴(yán)格的因果性并不存在,粒子的行為只能用概率來(lái)描述,而客觀實(shí)在性更是依賴(lài)于觀測(cè)行為,在觀測(cè)之前,粒子并不存在確定的狀態(tài)。

1927年,年僅26歲的海森堡在哥本哈根研究所提出了一項(xiàng)足以改變物理學(xué)發(fā)展軌跡的重要原理——不確定性原理,這一原理最初被譯為“測(cè)不準(zhǔn)原理”,后來(lái)為了更準(zhǔn)確地體現(xiàn)其本質(zhì),才正式更名為“不確定性原理”。

這一原理的核心內(nèi)容看似簡(jiǎn)單,卻徹底打破了經(jīng)典物理學(xué)的認(rèn)知:微觀粒子的動(dòng)量(如果對(duì)動(dòng)量概念不熟悉,可以將其簡(jiǎn)單理解為“帶質(zhì)量的速度”,即粒子運(yùn)動(dòng)的快慢與質(zhì)量的乘積)與位置,無(wú)法同時(shí)被準(zhǔn)確測(cè)量。具體來(lái)說(shuō),當(dāng)我們對(duì)粒子的動(dòng)量測(cè)量得越精確,其位置的測(cè)量誤差就會(huì)越大;反過(guò)來(lái),當(dāng)我們對(duì)粒子的位置測(cè)量得越精確,其動(dòng)量的測(cè)量誤差就會(huì)越大。



海森堡通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo),給出了這一誤差關(guān)系的定量表達(dá)式:動(dòng)量的誤差與位置的誤差的乘積,必定大于等于普朗克常數(shù)h除以4π(即Δx·Δp ≥ h/4π)。

其中,普朗克常數(shù)h是一個(gè)極其微小的數(shù)值,約為6.626×10^-34焦耳·秒,正是這個(gè)微小的常數(shù),決定了不確定性原理的效應(yīng)只在微觀世界顯著,而在宏觀世界完全可以忽略不計(jì)——這也是為什么我們?cè)谌粘I钪?,能夠同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量一輛汽車(chē)的位置和速度,卻無(wú)法同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量一個(gè)電子的位置和動(dòng)量。

值得注意的是,不確定性原理并非只適用于動(dòng)量與位置這一對(duì)物理量,而是適用于所有“共軛物理量”——即那些無(wú)法同時(shí)被精確測(cè)量的物理量對(duì),比如能量與時(shí)間、角動(dòng)量與角度等。

例如,對(duì)粒子能量的測(cè)量精度越高,測(cè)量所需的時(shí)間就越長(zhǎng),能量的誤差與時(shí)間的誤差的乘積,同樣滿(mǎn)足類(lèi)似的不確定性關(guān)系。這意味著,微觀世界的“不確定性”并非偶然,而是一種普遍存在的固有特性。

海森堡提出這一原理的最初靈感,來(lái)源于他對(duì)γ射線(xiàn)顯微鏡實(shí)驗(yàn)的深入思考。

在這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)中,海森堡設(shè)想用γ射線(xiàn)照射電子,以測(cè)量電子的位置——γ射線(xiàn)的波長(zhǎng)越短,測(cè)量電子位置的精度就越高。



但與此同時(shí),γ射線(xiàn)的光子能量也會(huì)隨著波長(zhǎng)的縮短而增大,當(dāng)光子與電子碰撞時(shí),會(huì)將一部分能量傳遞給電子,導(dǎo)致電子的動(dòng)量發(fā)生不可預(yù)測(cè)的改變,從而使得動(dòng)量的測(cè)量誤差增大。

反之,如果使用波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線(xiàn)來(lái)測(cè)量電子的動(dòng)量,雖然光子對(duì)電子的干擾會(huì)減小,動(dòng)量測(cè)量精度會(huì)提高,但位置測(cè)量的精度卻會(huì)隨之降低。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)清晰地表明,測(cè)量行為本身會(huì)對(duì)微觀粒子的狀態(tài)產(chǎn)生不可避免的干擾,而這種干擾并非來(lái)自測(cè)量技術(shù)的不足,而是由量子世界的本質(zhì)所決定的。

海森堡在回憶錄中曾寫(xiě)道:“玻爾像佛陀般耐心,直到我理解互補(bǔ)性才是更深層的真理”,這也說(shuō)明,不確定性原理與玻爾的互補(bǔ)原理有著深刻的內(nèi)在關(guān)聯(lián),共同構(gòu)成了哥本哈根解釋的核心邏輯。

面對(duì)不確定性原理,經(jīng)典學(xué)派與哥本哈根學(xué)派的爭(zhēng)論首先聚焦在“不確定性的本質(zhì)”上。

在經(jīng)典學(xué)派看來(lái),不確定性原理所描述的“測(cè)量誤差”,僅僅是由于人類(lèi)當(dāng)前的測(cè)量技術(shù)不夠先進(jìn)造成的。就像我們?cè)谌粘I钪校靡话哑胀ǖ某咦訙y(cè)量物體長(zhǎng)度,會(huì)存在一定的誤差,但如果我們使用更精密的測(cè)量?jī)x器,誤差就會(huì)不斷減小;如果未來(lái)發(fā)明出足夠精密的儀器,就一定能夠突破不確定性原理所說(shuō)的極限,同時(shí)精確測(cè)量出粒子的動(dòng)量和位置。

這種觀點(diǎn)背后,是經(jīng)典物理學(xué)的核心信念:微觀粒子和宏觀物體一樣,每時(shí)每刻都具有確定的動(dòng)量和位置,測(cè)量行為只是“發(fā)現(xiàn)”這些確定的狀態(tài),而不會(huì)“改變”這些狀態(tài)——誤差只是測(cè)量手段的局限,而非粒子本身的特性。

但哥本哈根學(xué)派的觀點(diǎn)卻截然相反。海森堡明確指出:“不可能,這個(gè)極限是理論造成的,無(wú)論怎樣改進(jìn)測(cè)量方法和提升測(cè)量手段,都不可能突破”。



在海森堡看來(lái),不確定性并非測(cè)量技術(shù)的局限,而是量子世界的固有屬性——微觀粒子本身就不存在同時(shí)確定的動(dòng)量和位置,這種“不確定性”是粒子的本質(zhì)特征,與測(cè)量?jī)x器的精度無(wú)關(guān)。

即使我們擁有無(wú)限精密的測(cè)量?jī)x器,也無(wú)法同時(shí)精確測(cè)量出粒子的動(dòng)量和位置,因?yàn)檫@種“同時(shí)確定”的狀態(tài),在量子世界中本身就不存在。

關(guān)于“測(cè)量技術(shù)是否能突破極限”的爭(zhēng)論,在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下,暫時(shí)無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)判定對(duì)錯(cuò),因此雙方暫時(shí)達(dá)成了一種“姑且認(rèn)可不確定性原理的數(shù)學(xué)形式,但對(duì)其物理本質(zhì)存在分歧”的局面。

但爭(zhēng)論并沒(méi)有就此停止,反而進(jìn)一步深入到了“客觀實(shí)在性”的核心——經(jīng)典學(xué)派緊接著提出:“雖然我們無(wú)法同時(shí)精確測(cè)量粒子的動(dòng)量和位置,但這并不意味著粒子本身沒(méi)有確定的動(dòng)量和位置。

實(shí)際上,粒子每時(shí)每刻都有確定的動(dòng)量和位置(這就是經(jīng)典學(xué)派所說(shuō)的‘客觀性’,也稱(chēng)為‘實(shí)在性’),我們之所以無(wú)法同時(shí)精確測(cè)量,只是因?yàn)闇y(cè)量技術(shù)的局限,或者測(cè)量行為對(duì)粒子狀態(tài)的干擾,導(dǎo)致我們無(wú)法獲取全部信息而已?!?/p>

針對(duì)這一觀點(diǎn),海森堡給出了更具顛覆性的回應(yīng):“不是的,在測(cè)量前,粒子沒(méi)有確定的動(dòng)量和位置”。也正是因?yàn)檫@一回應(yīng),“測(cè)不準(zhǔn)原理”后來(lái)才被改譯為“不確定性原理”——“測(cè)不準(zhǔn)”容易讓人誤解為“測(cè)量不到”,而“不確定性”則更能準(zhǔn)確表達(dá)這條原理的普適性:粒子本身的狀態(tài)就是不確定的,與測(cè)量行為無(wú)關(guān),測(cè)量只是將這種“不確定的狀態(tài)”轉(zhuǎn)化為“確定的測(cè)量結(jié)果”,而不是“發(fā)現(xiàn)”了粒子原本就存在的確定狀態(tài)。



這一觀點(diǎn)讓經(jīng)典學(xué)派的物理學(xué)家們難以理解,他們紛紛追問(wèn)海森堡:“‘在測(cè)量前,電子沒(méi)有確定的動(dòng)量和位置’?這句話(huà)是什么意思?一個(gè)粒子怎么可能沒(méi)有確定的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?”

面對(duì)這樣的追問(wèn),海森堡也坦誠(chéng)地表示:“對(duì)于具體的電子,我也不知道是什么意思,大概...也許...可能...是多種狀態(tài)疊加在一起的意思吧”。

其實(shí),海森堡的困惑,也是我們所有人面對(duì)量子世界時(shí)的困惑——我們對(duì)世界的理解,始終基于宏觀世界的經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué),基于類(lèi)比和推理。



比如,我們認(rèn)為“兩點(diǎn)之間直線(xiàn)最短”,是因?yàn)槲覀兛梢杂贸咦尤y(cè)量,比較不同線(xiàn)條的長(zhǎng)度;我們認(rèn)為“蘋(píng)果會(huì)落地”,是因?yàn)槲覀儫o(wú)數(shù)次觀察到這樣的現(xiàn)象,基于因果關(guān)系得出結(jié)論。

但在量子世界中,我們無(wú)法找到任何可以類(lèi)比海森堡所說(shuō)“多種狀態(tài)疊加”的宏觀事物,我們的直覺(jué)和習(xí)慣告訴我們“動(dòng)量和位置就在那里”,但量子世界的規(guī)律卻告訴我們,這種“就在那里”的確定狀態(tài),在微觀粒子身上并不存在。

也許有人會(huì)說(shuō):“討論‘動(dòng)量和位置在測(cè)量前到底有還是沒(méi)有’這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有意義,因?yàn)榉凑裏o(wú)法知道”。

但事實(shí)上,這絕不是一個(gè)脫離實(shí)際的形而上學(xué)問(wèn)題,而是一個(gè)可以通過(guò)科學(xué)方法驗(yàn)證的物理問(wèn)題。因?yàn)椴煌睦斫?,?huì)推導(dǎo)出不同的物理結(jié)論,而這些結(jié)論,最終都可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)來(lái)驗(yàn)證。

經(jīng)典學(xué)派認(rèn)為“粒子在測(cè)量前有確定的動(dòng)量和位置”,哥本哈根學(xué)派認(rèn)為“粒子在測(cè)量前沒(méi)有確定的動(dòng)量和位置”,這兩種不同的假設(shè),會(huì)導(dǎo)致對(duì)量子糾纏等現(xiàn)象的不同解釋。

本質(zhì)上,這是經(jīng)典學(xué)派與哥本哈根學(xué)派關(guān)于量子世界客觀性(實(shí)在性)的核心爭(zhēng)論:經(jīng)典學(xué)派堅(jiān)信,客觀實(shí)在性是獨(dú)立于觀測(cè)者存在的,無(wú)論我們是否觀測(cè),微觀粒子都具有確定的狀態(tài);而哥本哈根學(xué)派則認(rèn)為,微觀世界的客觀實(shí)在性依賴(lài)于觀測(cè)行為,觀測(cè)之前,粒子處于不確定的疊加態(tài),不存在確定的客觀狀態(tài)。

這場(chǎng)關(guān)于客觀性的爭(zhēng)論,很快又引申出了另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題——量子世界的定域性,而這一問(wèn)題的集中體現(xiàn),就是愛(ài)因斯坦等人提出的EPR佯謬。



1935年,愛(ài)因斯坦聯(lián)合他的助手波多爾斯基和羅森,共同發(fā)表了一篇題為《量子力學(xué)對(duì)物理實(shí)在的描述可能是完備的嗎》的論文,在這篇論文中,他們提出了一個(gè)巧妙的思想實(shí)驗(yàn),這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)后來(lái)被稱(chēng)為“EPR佯謬”(EPR分別是三位作者名字的首字母縮寫(xiě))。

這一佯謬的提出,目的就是為了反駁哥本哈根解釋的不完備性,捍衛(wèi)經(jīng)典學(xué)派的定域性和實(shí)在性信念,將量子力學(xué)拉回到經(jīng)典物理學(xué)的框架中來(lái)。

EPR佯謬的核心思想的是基于量子糾纏態(tài)的特性。

所謂量子糾纏,是指兩個(gè)或多個(gè)微觀粒子之間存在一種特殊的關(guān)聯(lián)關(guān)系,這種關(guān)聯(lián)關(guān)系不受空間距離的限制,即使兩個(gè)粒子相隔億萬(wàn)光年,它們的狀態(tài)依然會(huì)相互影響——這種特性,也是量子力學(xué)最神奇、最令人費(fèi)解的特性之一,而EPR佯謬,正是利用了量子糾纏的這一特性,來(lái)質(zhì)疑哥本哈根解釋的合理性。

愛(ài)因斯坦等人在思想實(shí)驗(yàn)中設(shè)想:兩個(gè)處于量子糾纏態(tài)的粒子,從原點(diǎn)出發(fā),分別向兩個(gè)相反的方向飛去,最終飛到相距足夠遠(yuǎn)的地方(比如相距幾光年)。

根據(jù)量子糾纏態(tài)的特性,這兩個(gè)粒子的動(dòng)量和位置存在著嚴(yán)格的關(guān)聯(lián)——當(dāng)我們測(cè)得粒子1的坐標(biāo)為x0時(shí),就可以立刻推斷出粒子2的坐標(biāo)為-x0;當(dāng)我們測(cè)得粒子1的動(dòng)量為p0時(shí),就可以立刻推斷出粒子2的動(dòng)量為-p0。

需要說(shuō)明的是,這一關(guān)聯(lián)特性并非愛(ài)因斯坦等人的假設(shè),而是量子力學(xué)理論所預(yù)言的,并且后來(lái)被無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)所證實(shí)——只不過(guò)在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,物理學(xué)家們很少測(cè)量動(dòng)量和位置這種不方便精確控制的連續(xù)量,而是選擇自旋、偏振方向等更容易測(cè)量的離散量,但這并不影響EPR佯謬的核心邏輯。

經(jīng)典學(xué)派和哥本哈根學(xué)派,對(duì)于“兩個(gè)糾纏態(tài)粒子存在關(guān)聯(lián)特性”這一點(diǎn),并沒(méi)有任何爭(zhēng)議,雙方的爭(zhēng)議焦點(diǎn),在于對(duì)這種關(guān)聯(lián)特性的解釋——為什么兩個(gè)相隔遙遠(yuǎn)的粒子,會(huì)存在如此精確的關(guān)聯(lián)?



愛(ài)因斯坦等人從經(jīng)典學(xué)派的定域性和實(shí)在性信念出發(fā),給出了非常直觀的解釋?zhuān)簝蓚€(gè)糾纏態(tài)的粒子,從它們飛出原點(diǎn)的瞬間,就已經(jīng)“約定好”了之后的所有行為,包括它們每時(shí)每刻的動(dòng)量和位置。

也就是說(shuō),在測(cè)量之前,粒子1和粒子2就已經(jīng)具有了確定的動(dòng)量和位置,只是我們沒(méi)有去測(cè)量而已;當(dāng)我們測(cè)量粒子1的動(dòng)量或位置時(shí),并沒(méi)有改變粒子1的狀態(tài),也沒(méi)有對(duì)遙遠(yuǎn)的粒子2產(chǎn)生任何影響,我們只是通過(guò)測(cè)量粒子1的狀態(tài),利用它們之間早已“約定好”的關(guān)聯(lián)關(guān)系,推斷出了粒子2的狀態(tài)。

這種解釋?zhuān)耆辖?jīng)典物理學(xué)的定域性(任何信息的傳播速度都不能超過(guò)光速,遙遠(yuǎn)的粒子之間無(wú)法產(chǎn)生瞬間的相互影響)和實(shí)在性(粒子在測(cè)量前就具有確定的狀態(tài))信念,也符合人類(lèi)的直覺(jué)。

但哥本哈根學(xué)派的解釋?zhuān)瑓s再次挑戰(zhàn)了人們的直覺(jué)。

他們認(rèn)為,在測(cè)量之前,無(wú)論是粒子1還是粒子2,都沒(méi)有確定的動(dòng)量和位置,它們都處于一種不確定的疊加態(tài)中;只有在測(cè)量的那一刻,粒子的狀態(tài)才會(huì)被“坍縮”,從不確定的疊加態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇_定的狀態(tài)。

也就是說(shuō),當(dāng)我們測(cè)量粒子1的動(dòng)量時(shí),粒子1的動(dòng)量才被確定下來(lái),而與此同時(shí),基于兩個(gè)粒子的糾纏關(guān)聯(lián),粒子2的動(dòng)量也會(huì)被瞬間確定下來(lái)——這種確定,并不是因?yàn)榱W?本身就有確定的動(dòng)量,而是因?yàn)槲覀儗?duì)粒子1的測(cè)量,間接導(dǎo)致了粒子2的狀態(tài)坍縮。



愛(ài)因斯坦等人正是抓住了哥本哈根學(xué)派這一解釋的漏洞,提出了EPR佯謬的核心質(zhì)疑:根據(jù)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論,任何信息的傳播速度都不能超過(guò)光速,這就是經(jīng)典物理學(xué)中的“定域性”要求。而按照哥本哈根學(xué)派的解釋?zhuān)?dāng)兩個(gè)粒子相隔足夠遠(yuǎn)(比如幾光年)時(shí),我們對(duì)粒子1的測(cè)量,會(huì)瞬間導(dǎo)致粒子2的狀態(tài)發(fā)生坍縮——這種“瞬間影響”,意味著兩個(gè)粒子之間存在一種超距作用,這種作用的傳播速度超過(guò)了光速,違反了相對(duì)論的定域性要求。

愛(ài)因斯坦等人進(jìn)一步指出:哥本哈根理論要想不違反定域性要求,就必須拋棄不確定性原理,接受經(jīng)典學(xué)派的實(shí)在性觀點(diǎn)——即無(wú)論我們是否測(cè)量,粒子每時(shí)每刻都有確定的動(dòng)量和位置;而如果哥本哈根學(xué)派堅(jiān)持不確定性原理,否認(rèn)粒子在測(cè)量前有確定的狀態(tài),就必須承認(rèn)超距作用的存在,違反相對(duì)論的定域性要求。



這就是EPR佯謬的核心:哥本哈根解釋無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足定域性和實(shí)在性,而經(jīng)典物理學(xué)則可以同時(shí)滿(mǎn)足這兩點(diǎn),因此哥本哈根解釋是不完備的,必然存在一個(gè)更完備的理論,能夠解決這一矛盾。

需要補(bǔ)充的是,愛(ài)因斯坦等人在論文中還給出了一個(gè)明確的“物理實(shí)在性判據(jù)”:如果人們毫不干擾一個(gè)體系而能確定地預(yù)言它的一個(gè)物理量的值,則對(duì)應(yīng)于這個(gè)物理量就存在物理實(shí)在性的一個(gè)元素。

根據(jù)這個(gè)判據(jù),粒子2的坐標(biāo)和動(dòng)量都是物理實(shí)在的元素,因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量粒子1的坐標(biāo)和動(dòng)量,在不干擾粒子2的情況下,確定地預(yù)言粒子2的坐標(biāo)和動(dòng)量。

但量子力學(xué)認(rèn)為粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)具有確定值,因此它的描述是不完備的——這正是EPR佯謬的核心邏輯,也是愛(ài)因斯坦等人質(zhì)疑哥本哈根解釋的關(guān)鍵依據(jù)。

EPR佯謬發(fā)表后,立刻在物理學(xué)界引起了軒然大波,玻爾作為哥本哈根學(xué)派的領(lǐng)袖,很快就做出了回應(yīng)。

他撰寫(xiě)了一篇與EPR論文同名的論文,發(fā)表在同一本雜志《物理評(píng)論》上,對(duì)EPR佯謬進(jìn)行了針對(duì)性的反駁。玻爾的反駁,核心在于他的互補(bǔ)原理,以及對(duì)“物理實(shí)在性”的重新定義——玻爾認(rèn)為,經(jīng)典學(xué)派的實(shí)在性判據(jù)存在一個(gè)致命的缺陷:“毫不干擾一個(gè)體系”這一說(shuō)法,在微觀世界中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。



玻爾指出,由于量子世界中“作用量子的不可分性”,微觀體系和測(cè)量?jī)x器之間會(huì)形成一個(gè)不可分割的整體,測(cè)量安排是確定一個(gè)物理量的必要條件,而對(duì)體系未來(lái)行為所預(yù)言的可能類(lèi)型,正是由這些測(cè)量條件決定的。

在EPR思想實(shí)驗(yàn)中,我們對(duì)粒子1的測(cè)量,雖然沒(méi)有對(duì)粒子2施加直接的力學(xué)干擾,但卻通過(guò)測(cè)量安排,改變了整個(gè)糾纏系統(tǒng)的狀態(tài)——因?yàn)閮蓚€(gè)糾纏粒子本身就是一個(gè)不可分割的整體,無(wú)論它們相隔多遠(yuǎn),都不能被視為兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體。

總結(jié)玻爾的回答,大致意思是:由于量子糾纏的存在,整個(gè)糾纏系統(tǒng)的某種物理性質(zhì)具有不可分性,并且這種不可分性與空間距離無(wú)關(guān)。在測(cè)量前,兩個(gè)互相糾纏的粒子無(wú)論相距多遠(yuǎn),都必須被視為一個(gè)互相關(guān)聯(lián)的整體,甚至連兩個(gè)獨(dú)立的粒子都是不存在的,更談不上單個(gè)粒子的客觀物理狀態(tài)。正因?yàn)樗鼈儽臼菂f(xié)調(diào)的一體,所以當(dāng)我們測(cè)量粒子1時(shí),并不是對(duì)粒子2產(chǎn)生了超距作用,而是對(duì)整個(gè)糾纏系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)量,粒子2的狀態(tài)之所以會(huì)被確定,是因?yàn)樗旧砭褪沁@個(gè)整體的一部分,而不是因?yàn)榱W?的測(cè)量對(duì)它產(chǎn)生了瞬間的影響——因此,這種情況并不違反相對(duì)論的定域性要求,因?yàn)椴淮嬖谌魏纬馑俚男畔鬏敗?/p>



從玻爾的回答中,我們可以看出,他在堅(jiān)持否認(rèn)微觀粒子實(shí)在性的同時(shí),暗示了量子糾纏的超距關(guān)聯(lián)性,但他并沒(méi)有否認(rèn)定域性。

相對(duì)論所要求的定域性,限制的是經(jīng)典信息的超光速傳輸,而玻爾認(rèn)為,在EPR思想實(shí)驗(yàn)中,并不存在經(jīng)典信息的傳輸——因?yàn)榧m纏的兩個(gè)粒子是一個(gè)整體,測(cè)量粒子1的速度或位置,并不是決定粒子2速度或位置的原因,所有這些都只是整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)有的狀態(tài),兩個(gè)粒子之間無(wú)需相互傳遞任何信號(hào),自然也就不存在超光速信息傳輸?shù)膯?wèn)題。

至于是什么決定了這種跨空間的不可分性,玻爾并沒(méi)有給出明確的解釋?zhuān)@也成為了他的反駁中最受爭(zhēng)議的地方。

為了更好地理解玻爾的觀點(diǎn),我們有必要單獨(dú)解釋一下“經(jīng)典信息傳輸”與量子糾纏中“超距關(guān)聯(lián)”的區(qū)別,這也是很多人誤解量子糾纏的關(guān)鍵所在。

經(jīng)典信息傳輸,指的是消息的傳遞或物質(zhì)的傳送,其核心特點(diǎn)是:一方要從另一方獲取原本不知道的消息,或者原本沒(méi)有的物質(zhì)。這種傳輸過(guò)程,必然受到相對(duì)論定域性的限制——傳輸速度不能超過(guò)光速。

比如,我們通過(guò)手機(jī)發(fā)送一條消息給遠(yuǎn)方的朋友,消息的傳輸速度就是光速(電磁波的速度),如果朋友在幾光年之外,我們發(fā)送的消息,他需要幾光年之后才能收到;再比如,我們發(fā)射一艘宇宙飛船前往火星,飛船的速度無(wú)論如何也不能超過(guò)光速,需要幾個(gè)月的時(shí)間才能到達(dá)。這些都是經(jīng)典信息傳輸?shù)牡湫屠樱鼈兌紘?yán)格遵循定域性要求。



而玻爾所說(shuō)的量子糾纏中的“超距關(guān)聯(lián)”,則完全不同。這種關(guān)聯(lián)并不是經(jīng)典信息的傳輸,因?yàn)樗](méi)有傳遞任何新的消息——當(dāng)我們測(cè)量粒子1的狀態(tài)時(shí),我們并沒(méi)有向粒子2傳遞任何信息,只是通過(guò)粒子之間的糾纏關(guān)聯(lián),推斷出了粒子2的狀態(tài)。這種推斷,本質(zhì)上是基于我們對(duì)整個(gè)糾纏系統(tǒng)的了解,而不是因?yàn)榱W又g傳遞了信號(hào)。

我們可以用一個(gè)通俗的例子來(lái)理解這一點(diǎn):有一對(duì)夫妻,丈夫常年不歸家,妻子一怒之下向法院提出離婚。丈夫?yàn)榱硕惚茈x婚,逃到了距離地球4.3光年的人馬座(距離地球最近的恒星系統(tǒng))。法院經(jīng)過(guò)審理,做出了缺席判決,判決夫妻雙方離婚。

在判決下達(dá)的那一刻,丈夫的婚姻狀態(tài)就從“已婚”變?yōu)榱恕拔椿椤薄m然他最快也得4.3年后才能收到法院的判決消息,但這并不妨礙他已經(jīng)成為單身漢的事實(shí),他與前妻之間的“糾纏狀態(tài)”也至此結(jié)束。

在這個(gè)例子中,法院判決的消息傳輸,就是經(jīng)典信息傳輸,它受到定域性的限制,最快也得4.3年才能到達(dá)人馬座,丈夫需要4.3年后才能知道自己已經(jīng)離婚。而夫妻雙方婚姻狀態(tài)的變化,卻是“超距”的,瞬間就同時(shí)發(fā)生在妻子和丈夫身上,但這種變化并沒(méi)有傳遞任何新的信息——丈夫并不知道自己已經(jīng)離婚,他需要等到經(jīng)典信息傳輸?shù)竭_(dá)后,才能獲取這一消息。

因此,這種“超距關(guān)聯(lián)”并不違反相對(duì)論的定域性要求,因?yàn)樗鼪](méi)有傳遞任何經(jīng)典信息。

這里需要特別糾正一個(gè)常見(jiàn)的誤解——?jiǎng)⒋刃赖目苹眯≌f(shuō)《三體》中,距離地球4光年的三體人,在地球部署“智子”,利用量子糾纏實(shí)現(xiàn)對(duì)地球的實(shí)時(shí)監(jiān)視,這在現(xiàn)實(shí)物理學(xué)中是不可能做到的。



因?yàn)榱孔蛹m纏只能實(shí)現(xiàn)“超距關(guān)聯(lián)”,而不能實(shí)現(xiàn)“超距信息傳輸”——要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視,就需要將地球的信息通過(guò)量子糾纏傳遞給三體人,這屬于經(jīng)典信息傳輸,必然受到光速的限制,無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳遞。量子糾纏的核心價(jià)值,在于它的關(guān)聯(lián)性可以用于量子加密、量子計(jì)算等領(lǐng)域,而不是用于超光速信息傳輸。

玻爾的回答,顯然沒(méi)有讓愛(ài)因斯坦?jié)M意。

愛(ài)因斯坦始終無(wú)法接受“兩個(gè)相隔遙遠(yuǎn)的粒子是一個(gè)不可分割的整體”這一觀點(diǎn),他將玻爾描述的量子行為嘲諷為“鬼魅般的超距作用”——在他看來(lái),這種“超距關(guān)聯(lián)”本質(zhì)上就是超距作用,違反了相對(duì)論的定域性要求,是哥本哈根解釋不完備的直接證據(jù)。



同時(shí),愛(ài)因斯坦對(duì)波恩的概率解釋也多有批評(píng),他認(rèn)為,概率解釋只是一種統(tǒng)計(jì)近似的理論,無(wú)法描述微觀粒子的真實(shí)行為,在量子力學(xué)的表象之下,必然存在某種尚未被發(fā)現(xiàn)的完備理論,這種理論可以給出對(duì)應(yīng)的隱變量,來(lái)描述每個(gè)物理實(shí)在要素——這種完備理論,后來(lái)被物理學(xué)家們稱(chēng)為“隱變量理論”。

愛(ài)因斯坦通過(guò)EPR佯謬明確指出:哥本哈根解釋拋棄了實(shí)在性,也就意味著違反了定域性;而玻爾的回答,看似維護(hù)了定域性,卻暗示了超距作用的存在,并且否認(rèn)了粒子的客觀實(shí)在性,這是無(wú)法讓人接受的。

事實(shí)上,不僅是愛(ài)因斯坦,當(dāng)時(shí)大多數(shù)物理學(xué)家都難以認(rèn)同玻爾的回答,但由于當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)有限,無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證雙方觀點(diǎn)的對(duì)錯(cuò),這場(chǎng)爭(zhēng)論逐漸從科學(xué)層面,轉(zhuǎn)向了哲學(xué)層面。

就連為量子力學(xué)理論立下汗馬功勞的泡利,也曾經(jīng)抱怨說(shuō):“與愛(ài)因斯坦?fàn)幷?,往往?huì)歸結(jié)到針尖上能站多少個(gè)天使這類(lèi)問(wèn)題上去”——這句話(huà)雖然帶有調(diào)侃的意味,卻也反映了當(dāng)時(shí)的困境:雙方的爭(zhēng)論陷入了僵局,誰(shuí)都無(wú)法說(shuō)服誰(shuí),而科學(xué)實(shí)驗(yàn)卻無(wú)法給出明確的判決。

這種僵局,一直持續(xù)了二十年。

1955年,愛(ài)因斯坦帶著他未完成的隱變量理論研究,遺憾地離開(kāi)了這個(gè)世界;1962年,玻爾也緊隨其后去世,兩位科學(xué)巨人,都為各自的信念?yuàn)^斗了一生。

值得一提的是,玻爾去世前,他工作室的黑板上,還畫(huà)著當(dāng)年與愛(ài)因斯坦“華山論劍”時(shí)的光箱實(shí)驗(yàn)草圖——這個(gè)實(shí)驗(yàn)是愛(ài)因斯坦當(dāng)年為了反駁不確定性原理而設(shè)計(jì)的,玻爾花費(fèi)了大量時(shí)間思考,最終用相對(duì)論成功反駁了愛(ài)因斯坦,而這個(gè)草圖,也成為了兩位科學(xué)巨人爭(zhēng)論的永恒見(jiàn)證。



玻爾經(jīng)常用這個(gè)圖給來(lái)訪者解釋量子理論,或許在他心中,也始終沒(méi)有忘記與愛(ài)因斯坦的這場(chǎng)交鋒。

盡管愛(ài)因斯坦一直質(zhì)疑哥本哈根解釋的不完備性,但在這幾十年間,量子力學(xué)理論卻勢(shì)不可擋地發(fā)展起來(lái),逐漸成為了現(xiàn)代物理學(xué)的核心理論之一,并且給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)了偉大的技術(shù)革命——從半導(dǎo)體芯片、激光技術(shù),到核磁共振、量子通信,量子力學(xué)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面,改變了我們的生活方式。雖然愛(ài)因斯坦與玻爾的爭(zhēng)論,在當(dāng)時(shí)已經(jīng)很少有人提起,但這場(chǎng)爭(zhēng)論并沒(méi)有結(jié)束,它依然在等待一個(gè)最終的判決。

玻爾去世兩年后,也就是1964年,終于有人將這場(chǎng)持續(xù)了數(shù)十年的爭(zhēng)論,向前推進(jìn)了關(guān)鍵的一步。

這個(gè)人,就是英國(guó)物理學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾(John Stewart Bell),他提出了大名鼎鼎的“貝爾不等式”,為這場(chǎng)爭(zhēng)論的最終判決,指出了一條可行的實(shí)驗(yàn)路徑。



貝爾原本是一位堅(jiān)定的隱變量理論支持者,他始終相信愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn),認(rèn)為量子力學(xué)是不完備的,隱變量理論一定存在。

為了證明這一點(diǎn),貝爾開(kāi)始深入研究EPR佯謬和哥本哈根解釋?zhuān)噲D找到隱變量理論與量子力學(xué)理論之間的矛盾,并用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證隱變量理論的正確性。

然而,在研究過(guò)程中,貝爾卻得出了一個(gè)與自己預(yù)期相反的結(jié)論——他推導(dǎo)出了一個(gè)不等式,這個(gè)不等式基于愛(ài)因斯坦“定域性和實(shí)在性都必須滿(mǎn)足”的前提,而根據(jù)量子力學(xué)理論,在某些情況下,糾纏粒子的統(tǒng)計(jì)學(xué)行為,會(huì)違反這個(gè)不等式。

這個(gè)貝爾不等式,之所以成為這場(chǎng)爭(zhēng)論的“終極判決者”,核心原因在于:它將一個(gè)抽象的哲學(xué)爭(zhēng)論,轉(zhuǎn)化成了一個(gè)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)精確驗(yàn)證的物理問(wèn)題。



貝爾不等式的核心邏輯非常清晰:只要物理世界同時(shí)滿(mǎn)足定域性和實(shí)在性(也就是愛(ài)因斯坦等人堅(jiān)持的經(jīng)典學(xué)派觀點(diǎn)),那么糾纏粒子的測(cè)量結(jié)果,就必須滿(mǎn)足貝爾不等式;如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果違反了貝爾不等式,就說(shuō)明物理世界無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足定域性和實(shí)在性,也就意味著愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的,而哥本哈根學(xué)派的觀點(diǎn),至少在“否認(rèn)定域?qū)嵲谛酝瑫r(shí)成立”這一點(diǎn)上,是正確的。



更具體地說(shuō),貝爾不等式是基于“定域隱變量理論”推導(dǎo)出來(lái)的——所謂定域隱變量理論,就是愛(ài)因斯坦所堅(jiān)信的“完備理論”,它既滿(mǎn)足定域性(沒(méi)有超距作用),又滿(mǎn)足實(shí)在性(粒子在測(cè)量前有確定的狀態(tài)),并且通過(guò)隱變量來(lái)描述粒子的真實(shí)狀態(tài)。

貝爾發(fā)現(xiàn),定域隱變量理論所預(yù)言的糾纏粒子的關(guān)聯(lián)程度,有一個(gè)明確的上限,這個(gè)上限就由貝爾不等式來(lái)描述;而量子力學(xué)理論所預(yù)言的關(guān)聯(lián)程度,卻超過(guò)了這個(gè)上限,也就是說(shuō),量子力學(xué)的預(yù)言會(huì)違反貝爾不等式。

這就給實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證EPR佯謬和兩大學(xué)派的爭(zhēng)論,指出了一個(gè)明確的方向:只要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),測(cè)量糾纏粒子的關(guān)聯(lián)程度,看看實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否滿(mǎn)足貝爾不等式,就可以判斷愛(ài)因斯坦的定域?qū)嵲谛杂^點(diǎn),和哥本哈根學(xué)派的觀點(diǎn),到底哪一個(gè)是正確的。



如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足貝爾不等式,說(shuō)明定域隱變量理論存在,愛(ài)因斯坦是對(duì)的;如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果違反貝爾不等式,說(shuō)明定域隱變量理論不存在,愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的,哥本哈根學(xué)派的觀點(diǎn)得到了驗(yàn)證。

需要補(bǔ)充的是,貝爾不等式并非只有一種形式,其中最常用的是CHSH不等式,它是貝爾不等式的一種推廣形式,更適合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。量子力學(xué)理論對(duì)CHSH不等式的預(yù)言值,與定域隱變量理論的預(yù)言值存在明顯差異,這也為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了清晰的判斷標(biāo)準(zhǔn)。



有了貝爾不等式,物理學(xué)家們終于擺脫了“哲學(xué)爭(zhēng)論”的困境,開(kāi)始著手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),來(lái)進(jìn)行這場(chǎng)終極判決。不過(guò),實(shí)驗(yàn)的難度遠(yuǎn)超預(yù)期——糾纏粒子的產(chǎn)生、傳送和測(cè)量,都需要極高的精度,任何微小的干擾,都可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此,早期的實(shí)驗(yàn),大多存在一定的漏洞,無(wú)法給出完全確定的判決。

二十世紀(jì)70年代,物理學(xué)家們?cè)诓死髮W(xué)、哈佛大學(xué)和德州大學(xué),進(jìn)行了一系列早期的貝爾不等式驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

由于糾纏電子的產(chǎn)生、傳送與測(cè)量都非常困難,物理學(xué)家們選擇用光子來(lái)代替電子,用光子的偏振方向來(lái)代替電子的自旋(光子的偏振方向和電子的自旋一樣,都是離散的物理量,更容易測(cè)量),用偏振器來(lái)測(cè)量光子的偏振方向。

這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,出乎貝爾的意料——實(shí)驗(yàn)結(jié)果大多偏離了定域隱變量理論的預(yù)言,更接近量子力學(xué)的預(yù)言,似乎指向愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。但由于這些實(shí)驗(yàn)存在“探測(cè)漏洞”(探測(cè)器的效率不夠高,無(wú)法探測(cè)到所有的糾纏光子)和“局域性漏洞”(測(cè)量裝置之間的距離太近,可能存在隱蔽的信號(hào)傳遞),因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒(méi)有被廣泛認(rèn)可,爭(zhēng)論依然沒(méi)有結(jié)束。



二十世紀(jì)80年代,激光技術(shù)和探測(cè)技術(shù)的快速進(jìn)步,使得更精確的貝爾不等式驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)成為可能。1982年,法國(guó)物理學(xué)家阿斯派克特(Alain Aspect)和他的團(tuán)隊(duì),進(jìn)行了一系列具有里程碑意義的實(shí)驗(yàn),這也是迄今為止最具影響力的貝爾不等式驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)之一。

阿斯派克特團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn),采用鈣原子來(lái)產(chǎn)生糾纏光子對(duì)——當(dāng)鈣原子被激光激發(fā)到高能級(jí)后,會(huì)躍遷回低能級(jí),并同時(shí)輻射出一對(duì)糾纏光子。

他們將兩個(gè)偏振器,分別放置在距離光源12米的位置,這樣就保證了兩個(gè)光子到達(dá)偏振器的時(shí)間差,小于光在12米距離內(nèi)傳播的時(shí)間,從而避免了測(cè)量裝置之間的信號(hào)傳遞,減少了局域性漏洞。



更重要的是,他們采用了聲光開(kāi)關(guān)技術(shù),每10納秒就切換一次偏振器的方向——這種切換速度,遠(yuǎn)快于光子從光源到達(dá)偏振器的時(shí)間(約40納秒),從而保證了在光子飛行的過(guò)程中,偏振器的測(cè)量方向是隨機(jī)變化的,避免了“光子產(chǎn)生時(shí)就已經(jīng)知道測(cè)量方向”的可能,進(jìn)一步彌補(bǔ)了局域性漏洞。

實(shí)驗(yàn)持續(xù)了3個(gè)多小時(shí),物理學(xué)家們記錄下了一對(duì)對(duì)糾纏光子的偏振方向,并計(jì)算出它們的關(guān)聯(lián)程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的指向非常清晰:實(shí)驗(yàn)結(jié)果與量子力學(xué)理論的預(yù)言完全吻合,而與愛(ài)因斯坦的定域隱變量理論的預(yù)言,偏離了5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方差。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中,5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方差意味著,實(shí)驗(yàn)結(jié)果偶然出現(xiàn)的概率不足百萬(wàn)分之一,因此,這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有極高的可信度,幾乎可以確定,愛(ài)因斯坦的定域隱變量理論是錯(cuò)誤的。

阿斯派克特的實(shí)驗(yàn),雖然依然存在一些微小的漏洞(比如偏振器的切換不是完全隨機(jī)的,而是周期性的,無(wú)法完全排除“陰謀論”的可能),但它已經(jīng)足夠證明,貝爾不等式被突破了,愛(ài)因斯坦所堅(jiān)持的“定域性和實(shí)在性同時(shí)成立”的觀點(diǎn),沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)的支持。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,后續(xù)的物理學(xué)家們不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置,彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)漏洞。1998年,奧地利因斯布魯克大學(xué)的科學(xué)家們,將糾纏光子的傳播距離延長(zhǎng)到了400米,進(jìn)一步排除了局域性漏洞,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與愛(ài)因斯坦的預(yù)測(cè),存在30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方差的偏離——這個(gè)偏離程度,比阿斯派克特的實(shí)驗(yàn)更大,可信度也更高。

2000年,中國(guó)物理學(xué)家潘建偉團(tuán)隊(duì),在《Nature》雜志上發(fā)表了一篇重要論文,報(bào)道了他們的貝爾不等式驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)采用了更先進(jìn)的探測(cè)技術(shù),進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)精度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與愛(ài)因斯坦的預(yù)測(cè),偏離了8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方差,再次驗(yàn)證了阿斯派克特實(shí)驗(yàn)的結(jié)論,為這場(chǎng)爭(zhēng)論的判決,增添了有力的證據(jù)。

進(jìn)入21世紀(jì)后,物理學(xué)家們繼續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn),陸續(xù)關(guān)閉了“探測(cè)漏洞”“局域性漏洞”等所有已知的漏洞。



2015年,荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì),進(jìn)行了第一個(gè)“無(wú)漏洞”的貝爾不等式驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果依然違反貝爾不等式,與量子力學(xué)的預(yù)言完全吻合。

至此,所有的實(shí)驗(yàn)證據(jù)都指向了同一個(gè)結(jié)論:愛(ài)因斯坦所堅(jiān)持的定域?qū)嵲谛杂^點(diǎn),是錯(cuò)誤的;貝爾不等式被突破,意味著物理世界無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足定域性和實(shí)在性。

阿斯派克特的實(shí)驗(yàn)結(jié)果公布后,物理學(xué)界陷入了出奇的沉默——對(duì)于大多數(shù)物理學(xué)家來(lái)說(shuō),這個(gè)結(jié)果是難以接受的,因?yàn)樗鼜氐最嵏擦巳祟?lèi)長(zhǎng)期以來(lái)的世界觀。過(guò)了很長(zhǎng)一段時(shí)間,物理學(xué)家們才開(kāi)始陸續(xù)發(fā)表自己的看法,大家對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解,依然存在很大的差異。

一部分物理學(xué)家,不得不接受實(shí)驗(yàn)的判決,承認(rèn)愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的,開(kāi)始認(rèn)同哥本哈根學(xué)派的觀點(diǎn),感嘆“原來(lái)上帝真的是在擲骰子”——他們認(rèn)為,量子世界的不確定性和非定域關(guān)聯(lián),是微觀世界的固有特性,我們必須放棄經(jīng)典的定域?qū)嵲谛孕拍?,才能真正理解量子力學(xué)。



另一部分物理學(xué)家,則依然不愿接受這個(gè)結(jié)果,堅(jiān)持認(rèn)為實(shí)驗(yàn)存在尚未發(fā)現(xiàn)的漏洞,或者認(rèn)為貝爾不等式的推導(dǎo)存在問(wèn)題——他們始終堅(jiān)信,經(jīng)典的定域?qū)嵲谛允俏锢韺W(xué)的基石,量子力學(xué)的不完備性依然存在,隱變量理論總有一天會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

而貝爾本人,雖然認(rèn)可實(shí)驗(yàn)結(jié)果,承認(rèn)定域隱變量理論是錯(cuò)誤的,但他卻拒絕放棄實(shí)在性——他寧愿犧牲定域性,也堅(jiān)持認(rèn)為世界是客觀實(shí)在的,堅(jiān)持“上帝不擲骰子”。

貝爾始終堅(jiān)信,量子力學(xué)只是一個(gè)過(guò)渡理論,是解釋物理世界的權(quán)宜之計(jì),在量子力學(xué)的表象之下,依然存在一個(gè)更完備的理論,這個(gè)理論可以放棄定域性,但必須保留實(shí)在性,能夠解釋量子世界的所有奇特現(xiàn)象。

如今,距離貝爾不等式提出已經(jīng)過(guò)去了60多年,距離阿斯派克特的實(shí)驗(yàn)也過(guò)去了40多年,越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)證據(jù),都在不斷驗(yàn)證量子力學(xué)的正確性,貝爾不等式被突破已經(jīng)成為了物理學(xué)界的共識(shí)。



這場(chǎng)持續(xù)了數(shù)十年的科學(xué)爭(zhēng)論,似乎已經(jīng)有了最終的判決:愛(ài)因斯坦所堅(jiān)持的經(jīng)典定域?qū)嵲谛杂^點(diǎn),沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)的支持;哥本哈根學(xué)派的觀點(diǎn),雖然依然難以被人類(lèi)的直覺(jué)所接受,但它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合,是目前解釋量子世界最成功的理論。

但這場(chǎng)爭(zhēng)論的落幕,并不意味著量子力學(xué)的所有問(wèn)題都得到了解決。相反,它引發(fā)了我們對(duì)物理世界本質(zhì)的更深層次的思考:為什么微觀世界會(huì)具有不確定性和非定域關(guān)聯(lián)?量子糾纏的本質(zhì)是什么?為什么物理世界不能同時(shí)滿(mǎn)足定域性和實(shí)在性?

這些問(wèn)題,依然沒(méi)有明確的答案,等待著物理學(xué)家們繼續(xù)探索。

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