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年度科学:1997 年物理学

又一个(更多)“幽灵”胜利

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爱因斯坦不会感到高兴。去年五月,研究人员不仅证明了一种爱因斯坦曾斥为“幽灵般的超距作用”的现象,而且还证明了这种现象即使在很远的距离也会发生。更糟的是,他们还在瑞士进行实验,离爱因斯坦1905年工作的专利局不远——那一年他解释了光的量子性质,为量子力学奠定了基础,而他后来却觉得量子力学如此令人抓狂的“幽灵”。

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所谓的“幽灵作用”是指两个粒子之间存在一种类似巫术的联系,使得对其中一个粒子的测量会对另一个粒子产生瞬时影响,尽管它们相距遥远——在日内瓦大学物理学家尼古拉斯·吉辛(Nicolas Gisin)的团队进行的实验中,它们相距近七英里。吉辛和他的同事们借用了从日内瓦通往两个附近村庄的光纤电话线。在日内瓦,他们将光子射入一块铌酸钾晶体,晶体将每个光子分裂成一对能量较低的光子,朝相反方向传播——一个向北飞往布鲁瓦(Bellevue),另一个向西南飞往伯纳(Bernex)。在这两个相距近七英里的地方,每个光子都被送入一个探测器。

常识会认为,对布鲁瓦的光子所做的任何事情都不会影响到伯纳的光子,反之亦然,但量子力学与常识关系不大。首先,不确定性原理指出,吉辛无法同时精确地知道一个光子的能量和它离开日内瓦晶体的时间。此外,量子力学坚持认为,光子在被测量之前没有精确的属性。为了显示他认为这种说法的荒谬之处,爱因斯坦在1935年提出了一个简单的思想实验,这成为了吉辛现在进行的复杂真实实验的基础。

爱因斯坦认为不确定性原理仅仅是一个测量问题,而不是一个现实问题。他的想法,就日内瓦实验而言,是你可以通过测量远处一个光子的能量来得知另一个光子的能量;同样地,你可以通过测量一个光子遥远对应物的到达时间来得知它的到达时间。毕竟,这两个光子必须同时离开日内瓦,虽然它们的能量可能不相等,但它们加起来必须等于父光子的能量。假设这些测量可以进行,并且它们以这种符合常识的方式相加,那么爱因斯坦就是正确的,现实将独立于测量。否则,你将被迫争辩说,布鲁瓦的测量瞬时且“幽灵般地”改变了伯纳光子的现实,这对爱因斯坦来说是一个荒谬的说法。这个思维游戏本身对爱因斯坦来说就足以证明问题所在,但在1964年,物理学家约翰·贝尔(John Bell)将其变成了一个可检验的假设。他提出了一个称为“贝尔不等式”的方程,将这个问题归结为一系列测量大量光子撞击探测器的结果。如果能量和到达时间是绝对值,就像爱因斯坦认为的那样,那么这些测量将符合贝尔不等式。另一方面,如果量子力学最终是正确的,并且光子的精确能量和到达时间直到被测量时才存在,那么这些测量将违反贝尔不等式。

在吉辛的实验中,唉,爱因斯坦和常识都输了。吉辛说,这就像他在布鲁瓦抛硬币,而他的同事在伯纳抛硬币,每次他抓住硬币看到是正面时,他同事的硬币也同时停止旋转并落地朝上。而且这种情况连续发生了数千次。吉辛说,这是一个非常奇怪的预测,因为它如此离奇,所以值得进行检验。

事实上,这个实验已经进行了很多次,其中最著名的是1981年,巴黎大学的物理学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)首次通过展示这种现象让同行们惊叹不已。但阿斯佩的光子分离距离只有几米,从那时起,一些同样不愿放弃常识的物理学家推测,这种“幽灵效应”可能会随着距离的增加而减弱。吉辛说:“我们已经在实验室里做到了,我们也在10公里处做到了,而且没有发现显著的差异。” 在量子世界中,常识似乎已经死了——但吉辛正计划对这个“尸体”进行最后一次尝试。他想在一个更远的距离设置一个测试——也许是日内瓦和爱因斯坦曾工作的专利局所在地伯尔尼之间60英里的距离。他甚至知道他想何时进行这个实验:在2005年,爱因斯坦开创性论文发表的百年纪念。

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