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物理學(xué)家告訴你走近量子糾纏(6):幫倒忙的貝爾
(科學(xué)網(wǎng)張?zhí)烊夭┛?,收藏有刪減)
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?                    走近量子糾纏(6)幫倒忙的貝爾
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量子糾纏態(tài)近年來宏圖大展源于實驗中的不斷突。這個突破起始于英國物理學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾的著名 “貝爾不等式”,將愛因斯坦EPR佯謬的思想實驗推進到真實可行的物理實驗
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量子論的理論研究只是貝爾的業(yè)余愛好。他多年供職于歐洲高能物理中心(CERN)做加速器設(shè)計工程的有關(guān)工作,只能利用業(yè)余時間來研究理論物理,正是這一業(yè)余研究使貝爾留名于物理史。

對EPR佯謬,當(dāng)時波爾寫文章回?fù)魫垡蛩固沟热说馁|(zhì)疑,世紀(jì)爭論似乎平息,哥本哈根詮釋成為量子論的正統(tǒng)解釋。由于問題是出在兩大巨頭不同的哲學(xué)觀上,便引不起多少人的興趣。在科技不斷進步、量子論取得成功下,人們照樣每天早上看到太陽從東方升起,誰也未見到波函數(shù)如何塌縮。當(dāng)然,也總是有那么一些腦袋停不下來的理論物理學(xué)家,仍然在冥思苦想:如何解釋量子論中詭異的相干或糾纏?愛因斯坦堅持的是一般人都具備的經(jīng)典常識,波爾更執(zhí)著于微觀世界的觀測結(jié)果。有人總想找出別的辦法既能照顧到愛因斯坦的“經(jīng)典情結(jié)”,又能導(dǎo)出量子論的結(jié)論。這其中,支持度較多的有“多世界詮釋”和“隱變量詮釋”。

    借用薛定諤的貓來簡述“多世界詮釋”:兩只貓都是真實的,一只活貓和一只死貓,但它們位于不同的世界中。當(dāng)我們向盒子里看時,整個世界立刻分裂成它自己的兩個版本。這兩個版本在其余的各個方面都是全同的,唯一的區(qū)別在于其中一個版本是原子衰變了,貓死了;而在另一個版本中,原子沒有衰變,貓還活著?;堇铡⒒艚?、費曼、溫伯格等都在一定的程度上支持“多世界詮釋”。實際上這種觀點目前已經(jīng)代替'哥本哈根詮釋’,成為了量子論解釋的主流派。但當(dāng)初愛因斯坦并不喜歡它,曾經(jīng)詼諧地說:“我不能相信,僅僅是因為看了一只老鼠一眼,就使得宇宙發(fā)生劇烈的改變!”量子力學(xué)只涉及到微觀粒子,大可不必牽動整個宇宙,這其中的詭異性恐怕比哥本哈根詮釋有過之而無不及。但貝爾熱衷的是“隱變量”的問題。
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拋硬幣遵循確定的力學(xué)規(guī)律,它之所以表現(xiàn)出隨機性,是因為我們不了解硬幣從手中飛出去時的詳細(xì)信息,亦即我們放棄了一些“隱變量”,如硬幣飛出時的速度、方向、加速度等。如果忽略外界影響,把這些隱變量全都計算進去,就可以說拋硬幣掉下來的狀態(tài)是在離開手掌的那一刻就決定了的。
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貝爾想,愛因斯坦提出的EPR佯謬是否也是因為我們忽略了某些隱變量的原因?既然兩個互相糾纏的粒子被測量到的那一剎不可能瞬時超距地傳遞信息,那么它們被測之前的互相分開狀態(tài)就應(yīng)該是已經(jīng)決定了。這與我們擲硬幣的情形類似,而不是像波爾所認(rèn)為的那樣測量時才臨時隨機選擇塌縮。貝爾的目的是要支持愛因斯坦,辦法就是研究潛藏著的隱變量。
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可是,貝爾一開始就碰到了高手:早在1932年,馮·諾依曼的著作《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》已為量子力學(xué)提供了嚴(yán)密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),其中捎帶著做了一個隱變量理論的不可能性證明。要從數(shù)學(xué)上著手,貝爾是找不到隱變量的。
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馮·諾依曼可謂天才神童,計算機之父,一言既出,二十年內(nèi)無人問津量子論的隱變量理論。好在貝爾碰到這堵高墻的時候,前面已經(jīng)有人為他開路:上世紀(jì)50年代,美國物理學(xué)家戴維·玻姆對“馮·諾依曼的隱變量不可能性證明”提供了一個實際的反例,而且玻姆還將原來EPR論文中非常復(fù)雜的測量位置和動量的實驗,簡化成了測量“電子自旋”的實驗。

    貝爾雖然是'業(yè)余’理論物理學(xué)家,卻有敢摸老虎屁股的精神。他仔細(xì)研究了馮·諾依曼有關(guān)“隱變量不可能性證明”的工作后,找出了大師在數(shù)學(xué)和物理的交接之處有一個小小的漏洞。在諾依曼的證明中有一個假設(shè):“兩個可觀察量之和的平均值,等于每一個可觀察量平均值之和?!必悹栔赋觯绻@兩個觀察量互為共軛變量,也就是說,當(dāng)它們滿足量子力學(xué)中的測不準(zhǔn)原理的話,這個結(jié)論不正確。然而,貝爾萬萬沒料到,他最終幫了愛因斯坦的倒忙,反過來證明了量子力學(xué)的正確性!

【貝爾是在1965年才指出馮·諾依曼的錯誤的。其實,早在1935年,有一個鮮為人知的德國女?dāng)?shù)學(xué)家格雷特·赫爾曼就指出了天才數(shù)學(xué)大師的這點失誤。赫爾曼是“代數(shù)女皇”,著名數(shù)學(xué)家艾米·諾特在阿根廷大學(xué)的第一個學(xué)生。她早期對量子力學(xué)的數(shù)學(xué)哲學(xué)基礎(chǔ)作了重要的貢獻(xiàn)。1935年,格雷特在一篇文章中提出對馮·諾依曼有關(guān)'隱變量不可能性證明’的駁斥。但遺憾的是,此文長期被忽略,直到貝爾1964年再次提出這點之后,又過了10年的1974年,格雷特的原文才被另一個數(shù)學(xué)家Max Jammer發(fā)掘出來,為這位默默無聞的數(shù)學(xué)家正名。由此可見,名人的威力是何等之強大啊。第二次世界大戰(zhàn)開始后,格雷特·赫爾曼積極參與反納粹組織的各種活動,也不再涉獵數(shù)學(xué)和物理,而是將她的人生興趣轉(zhuǎn)向了政治。】

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