在贝尔提出验证量子纠缠理论的1964年,当时的物理实验技术还难以完成这项精度非常高的实验,直到20世纪七十年代,实验条件才渐渐符合进行这项验证的技术方面的要求。先后有许多物理学家开展了这项实验,加利福尼亚大学伯克利分校的克劳泽和西蒙尼的研究小组采用光子进行实验,光子比电子在这项实验中更容易获得和操控,也容易获得处于纠缠状态的光子对,在检测时利用光的偏振性质更便于观察。小组先在烤箱中加热钙并形成钙气体,当钙气体被导出时用紫外线光束进行照射,紫外线的一部分能量被钙原子的电子吸收,在短时间后,含有多余能量的电子将趋于恢复正常状态,电子恢复基态时将发射出单个光子,发射的光子能量与照射时的能量相对等。其中大约百万分之一的极少数的电子会发射出一个绿色光子和一个紫色光子,这两个光子形成相互纠缠的光子对,这对光子的偏振存在相互关联。但是克劳泽和西蒙尼的研究小组实验采用的技术还不完备,误差较大,与其他研究小组的实验一样,最终都是无法得出确定的结论。
十年之后,法国的阿兰·阿斯派克特(Alain Aspect)在巴黎大学光学研究中心的地下实验室开展研究工作,他意识到先前的实验研究没能得出研究结论的根本原因是对实验误差没有进行很好地控制,阿斯派克特决心将误差尽可能降至最低,避免实验产生任何可能的错误结论,几乎所有实验设备都经他细心检查,有些还是他亲手制作的。在20世纪八十年代,电子学技术慢慢的开始进入实用阶段,电子技术的突飞猛进,使得检测两个孪态光子的时间间隔非常短暂,甚至小于光从两台检测器之间的行进时间。根据狭义相对论原理,任何速度都不可能快于光速,因此对一个光子的观察产生的物理效应就不可能影响到另一个关联的光子,这一点在这个实验中是非常关键的。
阿斯派克特根据多年前玻姆的思路发明了一种测量设备,并且将克劳泽的实验方式来进行了升级。阿斯派克特的想法是,当光子还在行进的途中时,使得两台检测器各自的检测的方向发生快速改变。我们大家可以想象一下地球仪,当你拨动地球仪进行旋转,如果从不同的角度观察,地球仪的旋转轴就会改变,这就是阿斯派克特的设想,最后再将不同角度设置的检测器实验结果进行比较分析。阿斯派克特利用水的特性进行这项史无前例的研究工作,假如你让一束光从水中穿出进入空气,你垂直照射水面时,光也会垂直穿出水面,但是你将光束略微偏转垂直轴,穿出水面的光束便会发生偏折,光束与水面会形成一个夹角。你能够直接进行一个小实验,取一根筷子放入半碗水中,你顺着筷子看去,筷子不是直的,而是在水中的半截筷子似乎向上折断了,与空气中的半截筷子形成一个明显的夹角,这是水与空气的折光率不同产生的现象。当你将光束从水中照射水面的角度大于48.6度的临界角度时,光束就会被反射回来。就像你在露天游泳池的一端观看池底的花纹,靠近你脚边池底的花纹清晰可见,但是在稍远处比如15米的地方你看到的却是蓝天和白云,这些就是水的折射现象。水的折光率与密度有关,当水的压力增加时,水的折光率就会相应加大,阿斯派克特正是利用了这一特性,阿斯派克特设置了两个变频器的装置,当电流通过时,此装置就会快速改变外形来挤压和放松盛水容器,重复次数达到惊人的2500次/秒,当实验中的光子以接近临界角度通过水体时,受压水体的临界角度发生细小的变化,这一变化就可以反射实验光子。
受压水就是一个快速的变向器,将实验光子从一个行进方向改变到另一个方向。当水没有压力时,光子就会被发射到第一台偏振器,如果水受到压力时,光子被水反射后进入第二台偏振器,第二台偏振器与第一台偏振器设定的角度不同。两台检测仪相距约13米多,从技术上看这种变化是规律的,与随机释放的光子和偏振器变化的时间没有一点关联的联系,而且变化非常之快,因此处于两端的设备只能独自测量信息,不可能发生“串通”现象。
阿斯派克特也是利用激光照射热钙气体产生两个背对背的纠缠光子对,它们的自旋具有完美的关联性。这时激光技术慢慢的开始运用,激光器的功率便于控制,因此也会产生更多的纠缠光子,阿斯派克特使用两束激光照射热钙气体产生纠缠光子,产生数量众多的纠缠光子使得阿斯派克特能获得更多的实验数据。
阿斯派克特的实验证实了两个处于纠缠状态的粒子,测量一个粒子的自旋,就会“迫使”远方另一个粒子以同样的姿态自旋,测量一个光子就会导致另一个关联光子挣脱概率的迷雾,形成光子并且与远方的光子的自旋状态精确地一致,这一现象的确定令人惊叹。
阿斯派克特的实验基本上排除了所有合理的怀疑,两台检测器检测的结果彼此相符合的概率没有达到50%,这就是说量子理论是正确的,而爱因斯坦是错误的,爱因斯坦认为的超距离的“幽灵作用”真的出现了,是被实验确凿地证实了。有人事后问阿斯派克特,假如爱因斯坦依然在世的话,这位科学巨匠会怎样看待他的实验结论?阿斯派克特用法国式的幽默回复说道,“哦,当然我无法回答这样的一个问题,但我敢肯定,对于关于这个实验结果,爱因斯坦当然一定有非常聪明的话说。”
1997年瑞士日内瓦大学的尼古拉斯·吉辛的研究小组进行了实验精度更高的阿斯派克特式的实验,两个检测器相距11公里之遥,相对于光子的微小波长而言,这样的距离尺度实在是非常巨大,但是两个纠缠光子之间的关联性还是存在,检测的结果如阿斯派克特的结论相一致。
阿斯派克特的这个实验结果意味着什么?这个结果应该可以令人震惊到无法呼吸的程度!不单单是爱因斯坦这样认为,我们大众几乎全部都有相同的看法,我们所生活的这样一个世界是真实的,物体是客观存在的,物体所有的物理性质都具有确定的数值,并且认为空间的基本性质就是分离物体。如将一个苹果切为两半,怎么确定判定这是两块苹果呢?因为它们之间存在空间距离,即使将两块苹果复原,它依然是两块苹果,虽然它们的空间距离非常微小。但是贝尔的推理和阿斯派克特的实验验证,对于微小的量子世界而言这些观点都是错误的,粒子完全遵从量子力学的原理,它们完全不同于宏观世界,量子的性质就是这么特殊和“诡异”,既没有确定的实在性,也缺乏空间距离上的可分性。
阿斯派克特的实验表明,一个光子的自旋被测量的瞬间,另一个远方的光子就会表现出相同的姿态进行一致的自旋,是什么因素导致的这种现象呢?非常遗憾的是,目前只有几种假说进行了某种程度的解释,但是还没有一点确凿的证据支持这些假说。按照狭义相对论的原理,光速是宇宙之中的速度上限,没有一点物质、能量、信息,甚至是物理力的传播速度能够超过光速,但是阿斯派克特的实验显示的情况是,处于纠缠状态的关联粒子的相互作用就表现出超光速现象,观测一个粒子瞬间就会导致另一个粒子发生改变,这种关联性的速度甚至比光速快许多倍,因此,爱因斯坦的狭义相对论面临着严峻的挑战。
但是当今大部分物理学家认为,经过阿斯派克特的实验验证的两个纠缠粒子的相互关联的速度是对狭义相对论的挑战的说法是错误的,原因是什么呢?表面上看,一对纠缠的光子相隔很远,它们彼此背对背飞行,在空间上相互分离,但是它们的共同起源会使它们之间建议某种基本联系,它们的起源历史使得两个光子纠缠在一起,它们的属性仍然是整个物理系统中的一部分,即使我们对一个光子的测量,这个行为实际上就会影响两个纠缠光子的整个物理系统的整体。虽然对一个光子自旋的测量会导致另一个光子发生相应的变化,但是我们至今还没有观察到任何信息和力的相互传递现象,因此狭义相对论原理的速度上限仍然是正确的,这个假说是当今物理学界的主要观点。
另一种假说完全持相反的观点。正如前一种假说所强调的,无论是物理系统的整体性的描述,还是两个光子之间缺乏信息传递而得到的推理,似乎还是缺乏对这种现象的说服证据。相距很远的两个光子,虽然是由量子的随机性决定的,但是两者之间总是保持着关联性,无论其中一个粒子表现出什么状态,另一个同时就会呈现出一致的状态,这些现象暗示着有某个比光速还快的“幽灵之手”在起支配作用。这个“幽灵之手”可能就是因为概率波的坍缩所致的,在阿斯派克特的实验中,比如说测量向左行进的光子绕着某个轴顺时针旋转,那么这个光子在整个空间的概率波就会坍缩,因此逆时针旋转的概率瞬间为零。按此推理,既然概率波坍缩是普遍的,那么概率波坍缩就有可能发生在向右运动的光子身上,也许就会表现出向右运动的光子逆时针旋转归零的现象,只会呈现绕某个轴顺时针旋转而与向左运动的光子一致,在量子理论的原理中概率波坍缩的速度是瞬间发生的,没有时间可以计量。
不知你会支持哪一种观点?不过请放心,不论你支持哪一种观点都会有世界上最知名的物理学家支持你!你现在就可以这样说,你打了一个响指,仙女星系的一颗恒星就向你眨了一下“眼睛”,正如弗朗西斯·汤普森所说的:你不可能摇动一只花而不扰动一星恒星。诺贝尔物理学奖获得者史蒂文·温伯格说过:如果说我们今天的物理学里有些东西有可能在终极理论不变地保存下来,那就是量子力学。
量子理论的研究虽然表现出许多 “诡异”的现象,但是这只是与我们已有的传统概念相违背,如果我们了解更多的有关量子的属性,也许我们就会习以为常,不会对微观世界的一些奇异特性感到惊讶。至于微观世界的许多内容还需要人类中的智者潜心研究,在大自然的所有运作规律中,量子世界的规律对于我们人类还知之甚少,构成我们存在的这个宇宙范围的所有能量、物质和人类还不了解的暗物质、暗能量,已有的知识告诉我们,所有的这一切都是由微观世界中的量子成分组成的,我们人类的一个非常优秀的品质就是好奇心,探究大自然的奥秘就会成为我们人类永不停歇的兴趣和责任。
如对贝尔提出的验证量子纠缠理论有兴趣的朋友,可查阅《从混沌到有序—妙不可言的宇宙》一书或者本论坛与之相类似的文章。
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