愛因斯坦錯了?2022年諾貝爾物理學獎公布,證明量子糾纏存在

每年的諾貝爾物理學獎都是重頭戲,2022年的諾貝爾物理學獎被頒發給三位科學家分別是:法國物理學家阿蘭·阿斯佩、美國理論和實驗物理學家約翰·克勞澤以及奧地利物理學家安東·塞林格,三位科學家將共享1000萬瑞典克朗,相當于2500萬台幣。

2021年關于諾貝爾物理學獎大家的預測就是量子力學完備性的貝爾不等式證明,但最后卻被地球環境領域的科學家拔得頭籌,但是好飯不怕晚,2022年諾貝爾物理學獎如約而至,就是關于量子信息科學方面的研究。

此次三位科學家獲得2022年諾貝爾物理學獎,主要的貢獻便是驗證貝爾不等式不成立方面的先驅性工作。

什麼是貝爾不等式?為何跟量子糾纏有關?為什麼要說愛因斯坦錯了哪?其實這一切都要從愛因斯坦和以波爾為首的哥本哈根派之間的論劍開始,論劍的內容便是量子力學。

背景

我們都知道二十世紀物理學有兩大支柱,相對論和量子力學,愛因斯坦靠一己之力提出狹義相對論和廣義相對論,對牛頓的經典力學給予重擊,當然相對論的提出并不是徹底否定經典力學,而是一種修正。

而愛因斯坦也算是量子力學的奠基者,愛因斯坦獲得的諾獎就是光量子理論,首次提出光是一份份能量的概念即光量子,解釋了光電效應,其實這也算是為量子力學的橫空出世打開了大門。

有些朋友可能會問愛因斯坦既然是量子力學的奠基者,為什麼到最后還要反對量子力學?

其實這是一種誤解,愛因斯坦反對的并不是量子力學,而是哥本哈根派對量子力學的詮釋。可以簡單舉一個例子,量子力學就像是被愛因斯坦看中的小寶寶,但是小寶寶長著長著遇到一群壞哥哥,至少在愛因斯坦眼中是這樣的。

它們將絕對量子力學未來朝著哪個方向發展,愛因斯坦就不高興了,好好的棟梁之才都要被壞哥哥帶壞了。而這群壞哥哥就是哥本哈根派,他們提出不確定性原理,把量子力學弄的越來越「玄幻」。

例如雙層干涉實驗,一個光子通過雙縫之后在屏幕上呈現,那麼這個光子到底是通過左縫隙還是右縫隙,哥本哈根派的解釋就是光子同時通過了左縫和右縫,這種說法相當玄幻了,跟巨觀世界產生沖突。但是通過不確定性原理來解釋,這種現象是存在的。

對于哥本哈根派對量子力學的詮釋,老一派物理學家都是難以接受的,例如薛定諤的貓思維實驗就是在嘲諷量子力學的不確定性原理,而愛因斯坦也給出了反擊,那就是EPR實驗。

關于EPR實驗

所謂的EPR實驗現在應該稱之為EPR佯謬,就是因為愛因斯坦錯了。當然這個我們后續再談,1935年5月愛因斯坦同物理學家波多爾斯基和羅森在第47期《物理評論》雜志上,發表了一篇論文名字為《能認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎?》,在這篇論文中的核心思維實驗被命名為EPR實驗,也就是以三位作者名字首字母來命名的。

這個實驗的大體意思便是一個基本粒子在空中飛行,受到外力后一分為二,我們暫時把這兩個粒子稱之為A粒子和B粒子,假設這兩個粒子飛到宇宙的兩端,總之是距離非常遠。

這個時候我們去觀測A粒子的自旋狀態,如果按照不確定性原理,在沒觀測之前它是不確定的(簡單理解成既左旋又右旋),如果A粒子是左旋的,那麼B粒子必須是右旋(已知的理論已經證明)。那麼問題來了,B粒子是如何知道A粒子的自旋狀態?兩個粒子相隔那麼遠,豈不是要超光速信號傳播了?

這就是著名的EPR思維實驗,在當時的環境下不超光速已經被所有科學家認可,也算是一條鐵律,那麼該如何解釋哪?其實我們可以看到,這就是量子糾纏了,而波爾給愛因斯坦的回復也是如此,無論兩個粒子相距有多遠都算是處在糾纏狀態,屬于一個粒子。

關于貝爾不等式

科學上爭論再多都沒有意義,拿出實驗證明一下就可以讓所有人閉嘴,貝爾設計出了一個貝爾不等式,讓EPR從思維實驗走向實驗室。

如果是實驗證明貝爾不等式成立,那就說明A粒子和B粒子在分開的那一瞬間就決定了自旋的方向,這也說明愛因斯坦是正確性,哥本哈根派的不確定性原理是錯誤的。

而如果證明貝爾不等式不成立,那就說明A粒子和B粒子自旋狀態并非是在分開瞬間確定的,換一句話說就是:愛因斯坦錯了,EPR實驗變成了EPR佯謬!

首次EPR實驗嚴格檢驗,愛因斯坦錯了

人類歷史上對于EPR實驗進行首次嚴格意義的實驗檢驗是在1982年,被稱為「阿斯派克特實驗」。從這個名字我們就可以知道,這個項目的帶頭人就是此次諾貝爾物理學獎的獲得者之一法國物理學家阿蘭·阿斯佩。

總之這位科學家的的實驗證明了愛因斯坦輸了波爾,同時也說明了哥本哈根派對于量子力學并不算是壞哥哥,不確定性原理是正確的,而量子糾纏也真實存在,并且它也是目前公認的三種超光速現象之一,當然量子糾纏的超光速并不涉及到信息的傳遞過程。現在基于量子糾纏的量子通信技術,也并不是用來傳遞信息,而是加密。

其實早在2011年這三位科學家就被提名諾貝爾物理學獎,但最終被從事宇宙膨脹理論研究的科學家拔得頭籌,這一次終于沒有再錯過!恭喜!


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