約120億年前，加速的光離子離開了一個(gè)名為類星體的極其明亮的天體，開始了一段通往還不存在的行星的漫長旅程。超過40億年以后，更多的光子離開了另一顆類星體去進(jìn)行類似的長途跋涉。當(dāng)?shù)厍蚝退诘奶栂敌纬?，生命進(jìn)化，人類開始學(xué)習(xí)物理，這些粒子繼續(xù)它們的道理。最終，它們在拉帕爾馬加那利群島通過一對望遠(yuǎn)鏡著陸，這對望遠(yuǎn)鏡是為了測試現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)而設(shè)立的。

該實(shí)驗(yàn)的目的是為了研究量子糾纏，一種在我們宏觀經(jīng)典的世界以不可能的方式去連接量子系統(tǒng)的現(xiàn)象。當(dāng)兩個(gè)粒子，比如一對電子糾纏在一起時(shí)，不了解任一電子就無法測量另一個(gè)。它們的性質(zhì)，比如動(dòng)量和位置，是不可避免的聯(lián)系在一起的。

“量子糾纏意味著你不能僅用局部描述去解釋你的聯(lián)合量子系統(tǒng)?！卑拇罄麃唶⒋髮W(xué)的理論物理學(xué)家Michael Hall如是說到。

糾纏最早出現(xiàn)在一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)測試不是由別人，正是阿爾伯特-愛因斯坦（Albert Einstein）本人完成的。在1935年的一篇論文中，愛因斯坦和兩位同事指出如果量子力學(xué)完全解釋了現(xiàn)實(shí)，那么對于糾纏系統(tǒng)的一部分測量將瞬間影響我們對未來另一部分對測量的認(rèn)知，似乎傳遞信息的速度超過了光速，但在已知的物理學(xué)中這是不可能的。愛因斯坦把這個(gè)影響稱為“幽靈般的遠(yuǎn)距離作用，”暗示某種根本性的錯(cuò)誤存在于萌芽中的量子力學(xué)。

幾十年后，量子糾纏被實(shí)驗(yàn)一次又一次的證實(shí)。即使物理學(xué)家們已經(jīng)學(xué)會(huì)了控制和研究量子糾纏，他們?nèi)匀晃凑业揭环N機(jī)制去解釋量子糾纏，或者就它對現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)的意義上達(dá)成共識。

加州大學(xué)圣地亞哥分校從事類星體實(shí)驗(yàn)也被稱為“宇宙貝爾實(shí)驗(yàn)”的天體物理學(xué)家安德魯·弗里德曼(Andrew Friedman)，他說:“糾纏現(xiàn)象本身已經(jīng)被驗(yàn)證了好幾十年了。真正的挑戰(zhàn)是，即使我們知道這是一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的現(xiàn)實(shí)，我們沒有一個(gè)令人信服的故事去表明它實(shí)際上是如何工作的?！?/p>

貝爾的假設(shè)

量子力學(xué)的世界——在最小尺度上支配宇宙行為的物理——經(jīng)常被描述為極其怪異。根據(jù)它的定律，自然界的組成部分同時(shí)是波和粒子，在空間中沒有確定的位置。它需要一個(gè)外部系統(tǒng)來觀察或測量它們，以促使它們“選擇”一個(gè)確定的狀態(tài)。而糾纏態(tài)粒子似乎能瞬間影響彼此的“選擇”，無論它們相距多遠(yuǎn)。

愛因斯坦對這些想法非常不滿，他假設(shè)了經(jīng)典的“隱藏變量”，超出了我們對量子力學(xué)的理解，如果我們理解了它們，就會(huì)使糾纏不那么可怕。在20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家約翰·貝爾（John Bell)設(shè)計(jì)了一個(gè)測試模型的隱藏變量，被熟知為“貝爾不等式”。

貝爾概述了關(guān)于世界的三種假設(shè)，每一種都有相應(yīng)的數(shù)學(xué)命題:現(xiàn)實(shí)主義，即物體無論是否被觀察到，都具有它們所保持的特性;地點(diǎn)性，也就是說，沒有什么能影響到足夠遠(yuǎn)的東西，以至于它們之間的信號傳播得比光還快;還有選擇的自由，也就是說物理學(xué)家可以自由地進(jìn)行測量，而不受隱藏變量的影響。探測糾纏是檢驗(yàn)這些假設(shè)的關(guān)鍵。如果實(shí)驗(yàn)表明自然界遵從這些假設(shè)，那么我們就生活在一個(gè)我們可以經(jīng)典地理解的世界里，而隱藏變量只是在創(chuàng)造量子糾纏的假象。如果實(shí)驗(yàn)表明世界并不遵循它們，那么量子糾纏就是真實(shí)存在的，亞原子世界真的就像它看起來那樣奇怪。

弗里德曼說:“貝爾的研究表明，如果世界遵守這些假設(shè)，那么糾纏粒子測量的相關(guān)程度是有上限的?！?/p>

物理學(xué)家可以測量粒子的性質(zhì)，比如它們的自旋、動(dòng)量或極化。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)粒子糾纏在一起時(shí)，這些測量結(jié)果在統(tǒng)計(jì)上的相關(guān)性比在經(jīng)典系統(tǒng)中預(yù)期的要高，這違反了貝爾不等式。

在一種貝爾測試中，科學(xué)家將兩個(gè)糾纏光子發(fā)送到相距較遠(yuǎn)的探測器上。光子能否到達(dá)探測器取決于它們的偏振;如果它們完全對齊，它們就會(huì)通過，但否則，它們就有可能被阻塞，這取決于對齊的角度?？茖W(xué)家們想看看糾纏粒子是否以相同的極化結(jié)束，其頻率是否比經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)所能解釋的要高。如果是這樣，至少貝爾的假設(shè)在本質(zhì)上就不可能是正確的。如果世界不服從現(xiàn)實(shí)主義，那么粒子的性質(zhì)在測量之前就不能很好地定義。如果粒子可以瞬間相互影響，那么它們就會(huì)以某種方式以比光速還快的速度相互交流，違反局部性和愛因斯坦的狹義相對論。

長期以來，科學(xué)家們一直猜測，如果世界不遵從貝爾的前兩個(gè)假設(shè)——現(xiàn)實(shí)主義和局部性——中的一個(gè)或兩個(gè)，那么先前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到最好的解釋。但最近的研究表明，罪魁禍?zhǔn)卓赡苁撬牡谌齻€(gè)假設(shè)——選擇的自由。也許科學(xué)家們關(guān)于讓光子進(jìn)入的角度的決定并不像他們想象的那樣自由和隨機(jī)。

類星體實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)自由選擇假設(shè)的最新實(shí)驗(yàn)?？茖W(xué)家們根據(jù)從兩個(gè)遙遠(yuǎn)的類星體探測到的光的波長(分別是78億年前和122億年前)，確定了允許光子進(jìn)入探測器的角度。在這一決定中，長途旅行的光子取代了物理學(xué)家或傳統(tǒng)的隨機(jī)數(shù)生成器，消除了地球?qū)?shí)驗(yàn)的影響，無論是人類還是其他方面。

在測試的最后，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)糾纏光子之間的相關(guān)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于貝爾定理所預(yù)測的經(jīng)典世界。

也就是說,如果一些隱藏的古典變量實(shí)際上是決定實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,在最極端的情況下,選擇測量之前早就已經(jīng)制定了人類existence-implying量子宇宙“古怪”是真正的結(jié)果,一切都是預(yù)先確定的。

霍爾說:“這對很多人來說是不滿意的?！八麄儗?shí)際上是在說，如果它是在很久以前建立起來的，你就必須嘗試用預(yù)先確定的選擇來解釋量子關(guān)聯(lián)?！鄙顚⑹ヒ磺幸饬x，我們將不再做物理。”

當(dāng)然，物理學(xué)在不斷發(fā)展，而糾纏問題仍有許多未解之謎有待探索。除了對糾纏缺乏因果解釋之外，物理學(xué)家們也不明白，測量一個(gè)糾纏系統(tǒng)是如何突然使它回到經(jīng)典的、非糾纏狀態(tài)的，或者糾纏粒子是否真的以某種方式進(jìn)行了交流，這是他們繼續(xù)用新實(shí)驗(yàn)探索的謎團(tuán)。

巴西國際物理研究所博士后加布里埃拉·巴雷托·萊莫斯說:“沒有任何信息可以瞬間從這里傳遞到那里，但對量子力學(xué)的不同解釋會(huì)同意或不同意存在一些潛在的影響?！薄暗珡南嚓P(guān)性和統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來看，我們都同意這個(gè)定義。”

BY: Laura Dattaro

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