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量子力学再胜最极端挑战,我们不再是造物的奴隶!科学家让宇宙参与量子纠缠,将爱因斯坦等人理论逼入绝境!

量子力学再胜最极端挑战,我们不再是造物的奴隶!

量子力学再胜最极端挑战,我们不再是造物的奴隶!

没有任何一个理论比量子力学更难以让人理解,也没有任何一个理论像量子力学一样接受了如此严苛且众多的检验而屹立不倒——没有任何一次检验能证明量子力学是错误的。事到如今,已很少有科学家质疑量子力学的正确性了,但为了检验两个纠缠态粒子事实上的“超光速”作用,奥地利维也纳大学的安东·蔡林格教授率领一个由中国、德国、美国科学家组成的国际团队,进行了一项空前严苛的实验——让宇宙来选择对粒子对进行什么样的测量,结果发现依然违背了贝尔不等式,从而将爱因斯坦等人提出的隐变量理论逼入了绝境,量子力学理论再一次经受住了极端条件的考验。

量子纠缠是指两个纠缠在一起的粒子,它们之间存在一种神秘的“心灵感应”,不管相距多远,哪怕分别处于宇宙的两端,只要测量其中一个的状态,我们马上就可知道另一个的状态。爱因斯坦等人提出了隐变量理论,认为两个粒子之间不可能超光速即时传输信息,所以两个粒子在分开前必定已确定了各自的状态,只是因为有我们尚不知道的隐藏因素的存在,让我们无法知道它们处于什么状态,换句话说,就是叠加态并不存在,相当于否定了量子力学的基础,或至少证明量子力学是不完备的。而正统的量子力学理论则认为,分开在宇宙两端的两个粒子仍然处于叠加态,不确定性是它的内秉属性,只是在观测的瞬间,粒子才选择一个确定的状态出现在我们眼前。它们之间并未超光速传输信息,也没有什么心灵感应,因为坍缩前它们本来就是一个整体。

物理学家约翰·贝尔于是设计了著名的贝尔不等式,可以用实验方法来检验究竟是隐变量事先决定了测量结果,还是在测量时粒子才随机选择一个状态坍缩。不等式成立,隐变量赢,不等式不成立,量子力学胜。从上世纪70年代开始,科学家们陆续进行了许多实验,结果都证明爱因斯坦等人确实是错误的,量子力学再次经受了考验。

但贝尔实验也受到一些漏洞的影响,量子力学的胜利并不能完全征服人心。2015年,三个独立的团队通过实验成功补足了侦测和通讯两个重要漏洞,但最重要的一个漏洞——自由选择或者说随机数漏洞,却是永远也无法完全填补的,只能把它缩小到无限小。此前已有实验将随机数产生器放置在距粒子对144公里以外的地方,探测到了量子纠缠现象,相当于把隐变量作用的时间限制到了几微秒之前。

蔡林格是国际量子纠缠领域研究的领军人物,也是中国“墨子号”量子卫星设计者、量子加密通信领军人物潘建伟的博士导师,他的团队为了将隐变量作用的时间进一步提前,决定通过望远镜检测600光年外恒星发出的蓝色或红色光子来产生随机数,这就相当于莫须有的隐变量如果想影响纠缠的粒子对,必须在600年前就知道研究人员今天要做这个实验,指挥恒星发出正确的光子。实验结果依然表明粒子对处于纠缠状态,在观测的一瞬间才做出坍缩的决定,证明了幽灵般的超距作用的存在。

研究人员下一步准备用几十亿光年外类星体的光芒来进行这个实验,把随机数的选择交给诞生不久的宇宙,相信也无法阻挡量子力学人挡杀人佛挡杀佛的气势,隐变量理论仅剩10的无穷次方分之一口气,科学家们对量子力学的信心就要爆棚了。这项实验也有助于加强和巩固下一代依赖于量子纠缠的设备,如中国处于国际领先的量子加密技术及墨子号量子卫星,前两天加拿大科学家才发表论文说复制了纠缠中的量子信息,真这样的话量子力学就该崩溃了。当然这项实验最重要的意义在于,它已经无限接近彻底否定决定论,一个完全自由挣脱了枷锁的宇宙怦然呈现在我们面前。如果爱因斯坦等人的隐变量理论成立,我们宇宙的命运在大爆炸那一瞬间就已经全部决定了,我们只是造物的奴隶,这是自由的我们所永远不能接受的!

研究结果已发表在2017年2月7日的《物理评论快报》(Physical Review Letters),可在此处查看论文:https://arxiv.org/abs/1611.06985

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