全網最簡單的2022諾貝爾物理學獎解讀

已梳理文字筆記方便大家看完視頻后回顧：）

前言：

今年諾貝爾物理學獎發(fā)的真眾望所歸，頒獎是為了表彰這三位科學家在糾纏光子實驗，驗證違反貝爾不等式和開創(chuàng)量子信息科學方面的貢獻。

他們驗證了量子糾纏真的就是人類迄今為止發(fā)現(xiàn)的最奇怪現(xiàn)象，

比什么廣義相對論、黑洞起點都要更反直覺，更不正常，并且他們的研究還讓我們已經可以利用這種現(xiàn)象來實現(xiàn)量子計算那種通信，甚至是為星際傳送這種科幻內容提供了理論。

可能你就說這獎能不能拿吧，現(xiàn)在網上很多營銷號都在說啊，這次諾獎啊，證明愛因斯坦錯了，在這里澄清一下是真的，不過不是愛因斯坦相對論錯了，相對論沒有問題，是他本人錯了。

大家可以查查，愛因斯坦目前被引用最多的這篇論文

他錯了2萬多次引用里大概有2萬多次都是去打翻臉的，大概就是一群物理學家排著隊去@愛因斯坦，你說量子力學有問題，你也不過如此嘛

論文地址：(感興趣的同學可以閱讀）

"Can the quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?''.

量子力學對物理實驗的描述可以被認為是完備的嗎？

https://journals.aps.org/pr/pdf/10.1103/PhysRev.47.777

科普今年的物理諾獎

什么是光？

從最簡單的講起，初中學過雙縫干涉實驗

一束光進入兩個縫軸會互相干涉，變成條紋，那如果我們一次只讓一個光子進入，是不是光子就不會發(fā)生干涉了呢？

愛因斯坦就這么想的，結果大家也知道，一個一個發(fā)射，光子依然會干涉。

八八年就有人用低溫中子做了相同實驗，也干涉了，說明這不是光的性質，而是量子的性質。

這個實驗也證明一件事，就是真不能用宏觀去理解量子概率，不然一個光子怎么可能做到自己跟自己干涉呢？

而是說光子有過第一條縫的概率，也有過第二條縫的概率，它處在疊加態(tài)。

怎么理解呢？

入門級理解就是量子同時處于不同的狀態(tài)，比如電子云，就是電子同時處在圖中所有的位置，很奇怪是吧？

彭羅斯就是這么解釋的。

這么解釋對不對呢？

如果按照這個邏輯，就是一個光子同時通過了兩個隙縫，然后自己跟自己干涉。

我看到這次諾獎的得主三菱格獎，他認為這種看法是錯的，

他覺得只有當宇宙中不存在知道光子位置信息的可能性的時候，才會產生感受，是一種性質，客觀上的不存在讓光子產生了感受，我只是復述一下，大家自行感悟啊，我是覺得理解到彭羅斯的程度也就夠了。

誰在投擲骰子？

疊加態(tài)這事曾經讓愛因斯坦非常不安，因為他的坍塌是隨機的，完完全全隨機，光子走到兩條縫面前對他測量，而疊加態(tài)就消失，解除干涉，然后他走第一條縫還是第二條縫，完全隨機。

愛因斯坦是個崇尚宇宙精妙之美的人，他就覺得完全隨機這件事兒很荒謬，他在1926年寫給波恩的心里面就說，那個老家伙不會在宇宙里擲骰子。

當然了，嚴格來說這個比喻有問題，因為擲骰子也不是真正的隨機嘛，最后哪一面朝上，跟我們骰擲的方向、力度，骰子的材質、地面的材質、空氣阻力等一系列因素相關，只要有數(shù)據(jù)就能計算，總能算出結果。

也就是說，其實現(xiàn)實生活中發(fā)生的任何事我們都可以找到原因，但量子的隨機找不到原因，于是我們又完全隨機去解釋，那么這真的是對的嗎？

你能想象自己撞墻有一半概率完好無損的通過啊，一半概率撞得頭破血流嗎？

愛因斯坦就拒絕接受這樣的量子理論。

于是在這張著名照片的大會上面，量子力學奠基人波爾就跟愛因斯坦說了，你呀，不要教上帝做事，

你看人家都會聊天，為了贏啊，愛因斯坦又提出了隱變量理論，

因為量子的概率問題都是因為量子還有一些沒有觀察到的性質。

這就是他們引用最多的論文標題所說的所謂量子力學不完備。

比如說可能光子存在一個量子勢，可以探測到雙縫實驗里面到底有幾個縫，雖然光子只是從其中一個縫通過，但因為他知道有另一縫的存在，所以表現(xiàn)出干涉。

那么量子力學中最神奇的還不是疊加態(tài)隨機性，而是因此產生的糾纏態(tài)。

按照薛定諤的說法，這是量子力學唯一不同于經典物理的特征。

接下來我們就來看看量子糾纏可不可以用隱變量理論來解釋

在之前視頻里說過，量子糾纏是世界上最像鬼魂的東西，一個靜止的例子突然分裂成兩個例子，像兩個相反的方向飛，根據(jù)海森堡原理，也就是測不準原理，這兩個粒子的動量是不確定的，但根據(jù)動量守恒啊，這兩個粒子動量加起來正好是零，這樣的兩個粒子就糾纏到了一起。

那么問題來了，如果我們測其中一個粒子的動量，這時候另外一個粒子，不管它飛出去多遠，只要保持糾纏態(tài)，不和其他粒子互動，它的動量豈不就正好相反，可以立刻得知了嗎？

用這次諾獎得主阿斯佩舉的一個例子就是如果一對雙胞胎眼睛顏色是一樣的，

那么我看到其中一個雙胞胎眼睛是藍色，那么另一個不管在地球的哪里，我們都知道它眼睛也是藍色，誒，聽起來是不是感覺很正常？

量子力學奇怪的地方是，他認為在我們觀察眼睛顏色之前，眼睛的顏色是不確定的，那處在藍色和黑色疊加鈦，可能是藍色，可能是黑色，當我們觀察之后，它眼睛的顏色坍塌成了藍色，另外一個就立刻變成了藍色，兩個人分別擲骰子，結果完全隨機，但正好一樣啊，這才是量子糾纏，而且這種變化是順勢完成的，只要一個眼睛觀察到藍色，另一個就立刻得知這個消息傳遞是超光速的。

愛因斯坦被打臉的那篇論文就是說這件事情到底有多離譜都不可能，并給出自己的解釋。

論文認為量子世界跟宏觀世界其實一樣，我們不知道雙胞胎眼睛顏色不代表他眼睛是疊加胎，可能它眼睛本來就是藍色，只是我們不知道，這就是實在論，你看不清床底有什么東西，不代表床底的東西不存在。

這個再加上不能超光速的定域論，就構成了EPR悖論的核心觀點

E：愛因斯坦

PR:另外兩個每人關系名字的作者

簡單說就是你們說的什么量子糾纏是不可能的。

其實這個結論后來被打臉也不能全怪愛因斯坦，因為除了他，早期很多量子力學奠基人都不相信量子糾纏這個東西，包括波爾啊，包括薛定諤，薛定諤的貓是不是很離譜?。?/p>

薛定諤本人也覺得不太可能。

不過呢，當時這篇論文剛發(fā)出來的時候也是應者寥寥，大部分人都插不上話嘛，畢竟我們很難證明在沒有觀察之前，床底的東西是什么，你怎么驗證？

沒法驗證啊，這聽起來就像是個哲學問題，你怎么知道不知道的東西，你知道了不知道的東西這個東西還是不知道的嗎？

這種情況一直持續(xù)到貝爾發(fā)現(xiàn)床底出現(xiàn)不同東西的概率還真不太一樣。

量子概率

有一種濾光片允許偏振方向一致的光通過，如果一束光能完全通過a，就說明光是這個方向的，把另一個一樣的濾光片旋轉90度，那么這束光就完全無法通過。

具體的公式就是夾角的cos的平方，如果那我們把鏡片旋轉22.5度，稱作B，那么就會有85%的光能通過，

再找一塊鏡片旋轉45度，稱作C，那么這個方向上是不是就會有50%的光通過？

理解了吧，宏觀上我們也很容易計算得出光同時通過兩塊鏡子的概率是85%乘以50%，大約42.5%。

現(xiàn)在我們來做實驗

如果我們把三個綠光片放在一起，互相分別成22.5度，最后測通過C的光有多少，你們覺得會是多少呢？

大家暫停視頻，把答案打在公屏上，正常邏輯來說，應該跟上面計算結果一樣，是42.5%對吧？

光被B攔住剩85%，剩下的又被C攔住50%，最后剩42.5%

我猜啊，肯定還有別的答案，比如有人會說，因為C相對a旋轉了45度，所以最后能通過C的光在概率上最多51%，一毛都不能多

還會有更聰明的人啊，他們會說不對不對啊，B可能已經改變了光的方向，光在通過B之后，面對C只有22.5度的旋轉了，所以結果應該是85%*85%，大約72%，比50%大很多啊。

好，現(xiàn)在公布答案，真實結果就是最后一個，恭喜這部分朋友，你們很聰明啊，這個結果其實是非常神奇的。

舉個例子：

假設班上100個人，你問女生有多少，站起來15個

讓她們出去，

再問剩下的人里面喜歡基德的有多少？

又站起來15個，也趕出去，

這時候大家做一道題，這100個人中喜歡基德的一共有多少？

誒，我們可以知道一個范圍，最低15，如果之前出去的女生里面也有喜歡基德的，那么全班最多喜歡基德不會超過30，對吧？

也就是說這個班理論上不喜歡基德的會在70多個啊，跟前面一樣算72好了，但神奇的地方在哪呢？

在量子的世界里，如果你直接當著100個人的面一起問，喜歡基德的請站起來，哇，會站起來50個喜歡基德的，而且他們都沒撒謊，

放到鏡子實驗里面就是如果我們把中間的B撤掉，通過旋轉45度的C的光就會只剩下50%，我們再把B放回去，多加一個鏡子，反而通過率會變高，這就是量子級的概率理解。

而且重點是量子學校里面這班上的100個人既不是男也不是女，而是處在男女的疊加態(tài)，一旦我問出問題，當場決定性別站起來，他喜歡基得的50個人全變成女的，全部被趕出去了，就是這么牛逼。

所以剛才在彈幕拿性別開玩笑的，快給我道歉。

最后再回到這個濾光片實驗，實際上我們加的片數(shù)越多，它們相互之間的夾角越小，通過的光也越多。

誒，這時候有朋友會說有什么神奇的，說來說去啊，不就是中間的鏡子，比如B啊，改變了光嘛，所以讓光每通過后面的鏡子都單獨乘一次概率就行了，就像是你叫15個女生出去了，誒，剩下的有些不喜歡基德的男生就開始喜歡基德了，萬事萬物都是有聯(lián)系的，你這兩次提問是會產生影響的，我知道你很急，下面我就補上這個漏洞。

貝爾不等式

現(xiàn)在我們制造兩個量子糾纏的光子，保證他們通過濾光片的性質一致，讓它們向兩邊射出去，

這時候光子單獨通過B的概率是85%，C的概率是50%，對吧，那么我問題來了，這對相互糾纏的光子同時通過B和C的概率是多少呢？

是42.5%還是72%？

如果是42.5%，就說明當我們把光子分開之后，它的結果就會變得和宏觀世界一樣，如果是72%，就說明光子在經過B的時候知道糾纏光子要經過C，經過C的光子也知道B的情況，雙方好像聊了一波，知道分別的狀態(tài)，也就是說根本不是什么鏡片改變了光。

貝爾通過實驗算出了所有角度量子概率和宏觀概率的區(qū)別，

我們可以看出來，虛線的量子概率都會比實線的宏觀概率要大一點，這是因為正常宏觀概率必然受因果關系影響，我擲骰子做不到完全隨機，而量子世界可以

我喜不喜歡基德和我是男是女沒有關系啊，我可以隨便選我是男又是女這16種性別的疊加態(tài)在愛河邊緣徘徊，而在我選出的那一刻，一切都定下來了，真正改變自己。

根據(jù)這個特點呢，貝爾提出了貝爾不等式，

即在前面的實驗中，如果結果遵循我們宏觀世界的規(guī)律，那么某種預測值會小于等于二，

也就是取42.5%的情況

如果是真正量子隨機過程值最大可以到2倍根號2，也就是72%的情況。

這個公式的出現(xiàn)，讓所有人都不知道床下有沒有藏人之前，床下到底是人是鬼還是疊加態(tài)，這個哲學問題變成了一個科學問題，科學問題就可以實驗驗證。

現(xiàn)在打臉量子力學的機會終于來了。

如何獲得諾獎？

別看原理上不難，但你要讓實驗物理學家搞出可控光子，還要讓他們糾纏也不容易。

第一個吃螃蟹的人就是這次獲獎的克勞澤，

1972年，他和同事用鈣原子釋放的光子做實驗，在兩側分別放綠光片測結果，

克勞澤這個人呢，本來是想支持愛因斯坦的，但是實驗結果居然大于2，也就出現(xiàn)了72%的情況。

這說明宏觀世界中的貝爾不等式不成立，量子不遵守宏觀的游戲規(guī)則。

這下好了，那個老頭知不是頭子不知道，光是真的會擲骰子。

當然，這個實驗被人詬病的地方也有很多，比如測量的數(shù)據(jù)不夠，濾光片提前放好不隨機，最大的漏洞還是光，雖然分別通過了兩邊的濾光片，但距離太近了，很有可能是光子在經過一個濾光片之前呢，用光速瘋狂交流了一波，自己要通過什么樣的濾光片，然后兩個光子一起擲骰子串通了，這在學術上簡稱交流漏洞。

補上這個漏洞呢，就是第二位諾獎獲得者阿斯佩，

82年，它讓兩邊的綠光片不斷快速改變，打光子一個措手不及，在他們還沒有交流的時候就分別隨機通過。

不過這次兩邊的濾光片依然是事先確定好的，雖然換的很快，但只要光子夠聰明，提前觀察好實驗室的環(huán)境，看，依然可以知道自己會通過哪個濾光片

仍然不完美，不知道大家有沒有看出問題的關鍵，就這些實驗，雖然驗證了量子隨機性，但沒有驗證量子糾纏是超光速的，也就是只證偽了實在論，沒有證偽定義論。

之后相關的實驗也非常多，但都挑的出毛病，簡單的比如測量問題啊，需要至少記錄2/3以上的結果才能在統(tǒng)計學上顯著。

比較奇葩的是記憶漏洞，有人就說了，你在這個地方之前做過相同的實驗，你現(xiàn)在又做一遍，光子難道不會提前知道你想搞什么鬼嗎？

實驗物理學家們頭都炸了，他們心里明白，要想打爆愛因斯坦，驚史留名，必須做出天衣無縫的實驗。

2015年第一個找不出漏洞的實驗終于出現(xiàn)，正是由第三位諾獎獲得者搞出來的，

它的設計非常精巧，只會在有光子進入后測量，讓光子毫不知情。

兩個裝置相距1300米，解決地域性問題，

測出來的值為2.54正負0.24，顯著大于貝爾不等式的2，在統(tǒng)計學上又只有0.039的幾率，由光子交流導置誤差

這類實驗后來出現(xiàn)了很多，甚至在網上也可以找到一連串貝爾測試的實驗列表，但我剛才提到的這三位呢，是在其中做出最關鍵貢獻的人。

自此，量子力學最奇葩的現(xiàn)象終于得到證明，疊加態(tài)是真的疊加，隨機是真的隨機，糾纏也是真糾纏，不管你怎么想，量子就不是你想的那樣。

操縱量子

量子力學已經是100多年前的東西了，但其實最近幾十年才是他迅猛發(fā)展的階段，各種驗證量子理論的技術不僅是為了反駁愛因斯坦，還為我們操縱量子做好了鋪墊。

以前讓一個單獨光子通過兩個西方的干涉實驗是非常高端的，現(xiàn)在實驗室給學生隨便演示，所以有很多人把當下稱為第二次量子革命。

我們現(xiàn)在已經創(chuàng)造出了量子信息、量子光學、量子計算、量子密碼、量子模擬、量子測量等多個細分領域，

還有量子速度、量子易經、量子佛學等等等等，百花齊放春滿園。

之前視頻講過量子通信和量子計算，這次視頻結尾講個科幻一點，也是賽林格的成果之一，量子隱形傳態(tài)。

中文翻譯聽起來是不是很高端，其實英文簡單粗暴，

Quantum teleporation，量子TP

解釋一下，很多人都想過，以后星際旅行不用真的過去啊，而是把自己的信息傳遞到另一個星球上，然后用這些信息復制自己啊，

從而完成光速旅行。

懂量子力學的人一定會說，這不可能，我們不能完全知道一個物體的所有量子信息，更別說復制了啊，這叫量子不可克隆定理。

但如果你懂得再多一點，大概就知道這已經可以實驗完成了。

我們可以用一對相互糾纏的量子放在兩個不同的星球上，

然后把第三個量子和這一對中的一個通過貝爾測量糾纏，纏完之后也就相當于把它的量子信息傳到了遠處的另一個星球上。

具體過程其實有點繞，不太適合在視頻里面講，但我思來想去，還是找到了一種能講明白的方法。

稍微講解一下，假設我們有一對貓?zhí)幵诹孔蛹m纏的生死疊加態(tài)，

分別位于地球和火星，

地球貓死了，火星貓就活，反之，同理，然后我們又養(yǎng)了一只又死又活的狗，也處在疊加態(tài)，有a的概率活，b的概率死，a+b等于100%。

我們的目的是通過這兩只貓把地球上狗的狀態(tài)信息秒傳到火星上，能不能實現(xiàn)呢？

第一步

把這只狗和地球上的貓放在一起

一通操作，讓他們糾纏

怎么操作呢？

問四個問題

一.貓和狗是不是狀態(tài)一致?

比如狗死貓死，狗活貓活

二.貓和狗是不是只死了一個？

三.貓和狗是不是至少死了一個？

四.貓是不是單獨活著？

當我們把貓狗的狀態(tài)用問題表示出來之后，就方便帶入下一個式子，

比如狗活貓死的情況，就等于第四個問題減去第一個問題，直接一削就行了，就是狗活貓死，

其他情況也可以這樣表示出來，懂了吧？

然后我們看整體情況，把貓狗全糾纏在一起，式子就可以寫成這樣，

我們把這個式子展開，代入上面的公式，把狗消掉，就可以得到這個四個問題對應的狀態(tài)，

OK，如果此時地球上的人啊，對貓狗進行觀察，問一個問題，比如第四個，誒，這個貓是不是單獨活著，此時方程就會探索到第四種情況，其他三種狀態(tài)就消失了。

這時候啊，只要打個電話，把問題告訴火星上的人，他知道之后再對方程做一個小改動，把減號改成加號，看到了嗎？

狗的量子狀態(tài)，誒，就TP到了貓身上，鼓掌。

我知道有觀眾這時候在罵了，你是不是有病啊？

有電話你不能直接說，還傳送什么呢？

我知道你很急，但是你別急，這時候我們還需要回答兩個問題，

第一，這樣是不是可以實現(xiàn)超光速傳遞信息呢？

當然不行啊，因為還得打電話過去嘛，火星才能解讀量子信息，所以這種技術目前就不是用來超光速傳遞信息的。

第二，這樣是不是可以復制量子信息呢？

也不行啊，我們把貓狗糾纏在一起問問題的過程中啊，狗的量子信息就完全消除了，傳遞到火星貓身上，所以不存在復制，只能剪切。

我們現(xiàn)在做量子通信實驗的目的也不是說要直接傳送人打電話，而是先把量子信息實現(xiàn)傳送再說。

比如，這次第三個諾獎獲得者賽林格用這種方法創(chuàng)造了跨一百四十四千米的量子糾纏態(tài)，

而他的學生，我們的潘建偉院士，17年往墨子號衛(wèi)星上成功傳送了911個光子的信息。

愛因斯坦1921年登諾獎之后，說他將要用余生去思考光是什么。

?15年之后，他說自己還是沒想明白。

任何說自己明白光量子是什么的人，你們其實都不明白。

量子糾纏到底是什么，我們依然不確定。

這次諾獎只證明了愛因斯坦用宏觀世界去解釋量子的嘗試失敗了。

我們去掉了一個錯誤答案，但對鬼魂般的真相我們仍一無所知。

有人認為光子可以在時間軸上運動，從而完成量子糾纏，或者兩個糾纏的光子其實是依靠蟲洞連接，或者你也可以簡單粗暴的接受量子糾纏，就是可以超光速。

不過至少現(xiàn)在賽林格不接受這個答案，他覺得背后一定有什么原理，就像他認為自己的完美實驗依然不完美，存在自由意志漏洞一樣。

我看過三林格伊斯講座，題目叫量子隱形傳態(tài)糾纏和愛因斯坦的問題，什么是光？

他說他依然相信愛因斯坦對光的理解，物理學已經走了很遠很遠，但謎團卻越來越多。

或許我們知道什么并沒有那么重要，重要的是我們不知道的，而且還要像愛因斯坦。

永遠相信光。

參考文獻：

附錄1：

附錄2：