爱因斯坦的“定域实在论”再次受到挑战

2018 年 5 月 12 日 中国物理学会期刊网 魔理郎

现如今，物理学家基本上都认为爱因斯坦对量子力学的怀疑是错误的。2016年11月30日，一项涉及到全球五大洲、12个实验室中的13个贝尔实验、100多位科学家、以及超过10万名游戏玩家的“大贝尔测试”进一步地验证了这一观点。实验结果被发表于2018年5月9日的《自然》杂志。

○ 量子力学再次被验证。| 图片来源：The Big Bell Test

当你紧闭双眼而无法看到这个世界时，你不能因此假设这个世界不复存在。同样的，早在人类懂得观赏月亮的时候，月球便一直存在着，并且绕着地球运行。然而，量子力学却认为一旦对这个世界进行观测，就会改变它。

玻尔（Niels Bohr）是量子力学的领袖人物之一，他甚至认为在对如“原子的位置”这类可观测量进行测量之前，它是毫无意义的。如果这一观点正确，就意味着观测的行为至少会改变这个世界，甚至可能会创造世界。这同经验所告诉我们的独立的实在是完全相反的。自1927年玻尔发表自己的观点后，物理学家和哲学家就一直对玻尔的诠释进行激烈的辩论。

在反对玻尔的声音中，爱因斯坦（Albert Einstein）尤为突出。在他和玻尔之间长达多年的辩论中，爱因斯坦认为实在论和定域性这两个原理是基本的。前者描述的是即使是在观测之前，物体也应该具有定义明确的性质；后者则是指物体只能对其周围的事件作出直接反应从而产生变化，遥远的事件无法瞬间影响物体。

○ 1935年爱因斯坦等人发表的论文，EPR是以三位作者名字的第一个字母命名的。该论文被物理评论快报评选为125年来最重要的论文之一，详见：《125年来，物理学都取得了哪些突破性的进展》。| 图片来源：Physical Review

1935年，爱因斯坦联合他的同事波多尔斯基（Podolsky）和罗森（Rosen）对玻尔的诠释发起了一次猛烈的攻击，他们所设计的一个思想实验被称为“EPR悖论”。这个思想实验描述了定域实在论（即定域性和是实在论共同成立）和量子力学完备性之间的矛盾。EPR论文正是建立在定域实在论这个基本假设之上的，因此爱因斯坦等人认为量子力学应该被一个更加完备的理论所代替，一个能够表明即使在没有观测情况下也能知道发生了什么的理论。

EPR悖论利用了量子力学的数学来描述一对位于不同位置上的“纠缠”粒子。根据玻尔的诠释，如果你测量了其中一个粒子的状态，你就立即知道另一个粒子的状态，无论它们之间的距离有多远。爱因斯坦认为这是不可能的，并把这种可以超光速的作用称为“鬼魅般的超距作用”。

○ 对于纠缠的粒子对，如果你知道其中一个粒子的状态，就立即知道另一个粒子的状态，即使它们分别位于宇宙的两端。| 图片来源：Astronomy Magazine

为了更加清楚地理解什么是量子纠缠，我这里举一个简单的例子。假设我买了一双手套，把其中一只寄给在北京的小明，把另外一只寄给在杭州的小红。由于他们都知道我爱开玩笑，当小红打开包裹时发现了一只左手套，她立即就知道小明会收到右手套。“成对”的手套意味着它们是一个“纠缠”系统。

手套纠缠和量子纠缠之间的区别在于，手套早就已经有了注定的结果。当我在几天前把手套邮寄出去的时候，就已经注定了结局。即使我不知道我给他们寄的手套分别是哪只，但不是这只就是那只，总有一只手套在其中一个包裹里。小红不可能打开包裹的时候发现里面居然是一只鞋子。但量子纠缠告诉我们，包裹里有可能是鞋子。在量子世界中，我所知道的只是我邮寄出去了一对东西。它可能是手套、鞋子或袜子，而且小明和小红也不可能知道包裹里究竟是什么，直到它们打开包裹。但在小明打开包裹看到左手套的那一刻，他就立即知道小红收到的是右手套。

如果这听起来很奇怪，不要担心，你并不孤单。即使是物理学家也会觉得这样的现象是非常诡异的。诡异到有些人认为肯定有什么神秘的事情发生，偷偷地告诉这两个粒子要怎么做。我们或许不知道结果会是什么，但是两个粒子知道。

面对这样的问题，物理学家分为两个阵营。一方是站在玻尔这一边，他们认为当你对纠缠粒子对的其中一个粒子进行测量时，它瞬间坍缩成一个状态（比如自旋向“上”），我们就立即知道另一个粒子的状态（自旋向“下”）。而另一方则加入爱因斯坦的阵营，认为量子力学是不完备的，测量结果肯定是受到了某种定域“隐变量”的预先决定，只是我们没有探测到它。换句话说，两个粒子的自旋状态虽然看起来是随机的，但却可能是在两个粒子分离的那一刻（或之前）就决定好了。

○ 约翰·贝尔。| 图片来源：CERN

究竟孰是孰非，这是一个需要通过实验才能得到判定的事情。到了1964年，物理学家贝尔（John Bell）提出了著名的“贝尔不等式”，使讨论不再停留在哲学层面。“贝尔测试”可以用来检验这奇异的量子特性究竟是由定域隐变量决定的（即粒子的性质在测量之前就已经决定了），还是由非定域的量子纠缠所导致（非定域代表可以超光速传播）。科学家通过对不同的纠缠粒子进行独立的测量，如果在统计上，粒子对中粒子间的相关性超过了一个上限，就不能用隐变量来解释了，也就意味着结果更符合量子力学的预测。

贝尔测试的基本思想很简单：实验者需要产生一对纠缠的粒子——通常是光子，并将它们送往两个不同的实验站，在那里它们的其中一个性质（比如自旋或极性）会被测量。如果测量发现这两个粒子产生的结果一致，就意味着要么对其中一个粒子的测量会立即影响到另一个粒子的性质，要么测量本身会导致粒子拥有该性质。如果测量的结果不相符，那么就验证了爱因斯坦的定域实在论。

然而在过去的几十年里，所有贝尔测试的实验结果都偏向于量子力学。但这些实验都无法给出一个完美的判定，因为每个实验都至少包含了这样或那样的漏洞，使得测试的结果能够以与定域实在论相一致的方式来解释。

其中一个未被解决的漏洞被称为“自由选择漏洞”，它表明研究人员选择测量量子粒子的方式可能会影响测量的结果。在过去的贝尔测试中，研究人员会选择量子粒子自身的某些方面来决定如何测量纠缠的粒子。换句话说，自由选择成为了“定域隐变量”，解释了在测试中获得的结果。这将使实验结果无效，因为这就像是让学生给自己出考题一样。

○ The Big Bell Quest。 | 图片来源：ICFO

为了消除这个问题，研究人员必须在他们的测量选择中引进随机性的来源。科学家发现如果作出的测量选择的人类，而不是像过去一样通过随机数发生器，那么这个漏洞就可以被修复。为此，研究人员开发了一个名为“The Big Bell Quest”的游戏，并邀请全世界的玩家共同参与。

2016年11月30日，全球超过10万玩家通过手机或其他设备参与了这场游戏，从而将随机性引进量子系统的测量中。他们在过关游戏中需要快速随机地按下“0”或“1”，这些随机产生的比特随后被分配到全球13个不同贝尔测试的实验室中去。在不同的贝尔测试实验中，也运用了各种不同的纠缠粒子和系统，包括光子、单原子、原子系综与超导器件。由于这些比特的模式是无法被预先猜测的，因此它们是有效的随机性来源，这也就意味着这些贝尔测试的结果不再受制于自由选择漏洞。