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50年物理难题被证实,爱因斯坦错了

时间:2015-08-31 | 来源:科学探索网 | 阅读:197

话题: 量子力学

可转机出现在上世纪60年代中叶,当时爱因斯坦已经去世10年。欧洲核子研究组织(CERN)的约翰·贝尔(John Bell)在赴美国访问期间,发表了著名的论文,将这一看似抽象的哲学问题简化为一个清晰的数学不等式,它被人们称为“贝尔不等式”。贝尔不等式其实是说,如果爱因斯坦提出的隐变量存在的话,那么在特定的实验条件下,实验结果(大量独立重复实验的统计概率)就会被限制在一个范围之内。一旦实验测量超出该范围,即贝尔不等式不成立的话,那么爱因斯坦就是错的,隐变量理论也就不正确。由于贝尔不等式可以直接付诸实验观测,爱因斯坦与哥本哈根学派之间的争论不再具有形而上的神秘色彩。取而代之的是,人们开始热衷于贝尔不等式的实验观测。

然而实验测量并不简单。在过去的50年里,人们提出了不计其数的实验方案,但每一个方案都有漏洞。所以,尽管许多实验得到了违反贝尔不等式的结果,但由于漏洞的存在也无法在逻辑上直接证明贝尔不等式不成立。令人振奋的是,最近由荷兰代尔夫特科技大学的Ronald Hanson领导的科研团队,终于实现了没有漏洞的实验观测,50年来第一次无懈可击地直接证明了贝尔不等式不成立。

Hanson团队的实验设计十分巧妙。他们在相距1.28千米的两个实验室里,分别用微波去激发处于极低温的钻石里的电子。当电子被激发出来时,它们同时也放出与自身相纠缠的光子。两边的光子通过光纤传送到位于两实验室之间的另一个探测地点,这里精确记录着光子到达的时间。如果两边发射过来的光子同时到达并以特定方式干涉,那么两个光子就会立即将自己所“代表”的电子纠缠起来,实现远程的量子纠缠。这好比远隔10万光年的牛郎和织女各派一个天使在鹊桥相会,如果两个天使同时到达并正确表达了主人的意思,那么牛郎和织女就实现了远程的“约会”。

由于两边的实验室在同时测量电子的自旋,一旦两个电子实现了远程的量子纠缠,仪器就会记录它们自旋在不同方向出现的频率。大量观测数据的统计结果显示,贝尔不等式的确不成立。该实验唯一不尽人意之处,在于两边的光子精确同时到达的成功率很低,大约1.5亿个光子对中才能有一对光子成功干涉并实现电子的远程纠缠。因此,该实验一共進行了22个多小时,却只得到245次有效数据。不过,该团队目前正在努力改進,以期提高效率。


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