大贝尔实验 爱因斯坦错了？史上最大贝尔实验再度验证他始终不满意的量子力学

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近一个世纪前首次发现量子力学时，推翻了关于宇宙的两个基本假设，一个是客观实在论，一个是“非局域性”。

在客观实在的问题上，量子力学相对于经典物理认为不存在独立于观察者的世界，所谓实在在被观察之前是无法描述的。关于第二个问题，量子力学中的“非局域性”、“纠缠”违反了爱因斯坦的相对论，允许某一时刻的事件空瞬间影响另一时刻的事件空，而在相对论中，光速是宇宙中最快的速度。

爱因斯坦被认为是量子理论的创始人之一，因为他发现了光量子。但爱因斯坦对后来的量子力学并不满意，认为量子力学的理论是不完整的。简单一句话，“上帝不掷骰子”。在他看来，量子力学的概率特征是其不完备理论的表现。爱因斯坦一直认为这背后一定有更深层次的物理原理来解释这一点，直到他1955年去世，这个问题仍然没有答案。

然而，迄今为止最雄心勃勃的贝尔实验再次验证了量子力学的可靠性:围绕量子力学的一个关键漏洞——选择漏洞，一个国际团队将其贝尔实验“外包”给宇宙，让宇宙参与随机数的产生，以获得最大的随机性。

此外，以中国科技大学潘建伟为首的中国团队也对量子力学的三大漏洞进行了探索，包括选择漏洞。

这些实验可能很快就能证明，整个世界都可能遵循爱因斯坦生前不喜欢的这个理论。

量子力学的“未完成的弱点”

测试量子力学的一个著名实验是贝尔实验，由北爱尔兰理论物理学家约翰·贝尔发起。

1964年，约翰.贝尔终于为实验学家提供了一种可行的量子力学测试方法。在贝尔的实验中，一个纠缠光子源分别向爱丽丝和鲍勃发送光子，每个观察者得到一个纠缠光子。爱丽丝和鲍勃会分别测量接收到的光子的偏振，然后比较测量结果，判断两个测量结果是否有相关性。

在大多数贝尔实验中，这种特定的量子性质被选为“特定有效方向上的极化”。

经典物理学认为两个光子的测量结果没有联系。在贝尔的实验中，任何识别真实性和局部性的理论都预测测量结果之间有最大的相关性。量子力学的非局域性允许测量之间的相关性超过这个最大值。

第一个完整的贝尔实验完成于20世纪70年代。结论是客观性和局域性的崩塌，量子力学胜出。

但是，这些早期的贝尔实验并不能完全排除“隐藏理论”的存在。例如，如果爱丽丝和鲍勃之间的距离不够，以光速传播的“隐藏”影响可能会导致爱丽丝的测量结果影响鲍勃的测量。

除了刚才提到的局部漏洞，早期Bell实验中还有一个采样漏洞和一个选择漏洞。采样孔是指如果爱丽丝和鲍勃使用的探测器效率不高，只能探测到少量的光子，那么实验结果可能会产生不存在的相关性，而选择孔则与爱丽丝和鲍勃选择的测量设置是否完全独立有关，因为哪怕是最微小的选择相关性都会破坏实验的完整性。

2015年的一系列实验表示，他们通过在Tai 空中分离爱丽丝和鲍勃，为观察者提供高速随机数发生器和高效检测器，成功填补了上述三个漏洞。结果表明量子力学仍然是正确的。

但早在2011年，澳大利亚国立大学的迈可·何就指出“随机数发生器可能不足以有效填补选择漏洞”，并认为如果随机数发生器和光子发射源过去通过某种隐藏机制相互作用，观测者的测量设置甚至光子的某些性质都会受到影响，进而观测到一些实验中不应该存在的关联。

西班牙光子科学研究所的摩根·米切尔说:“当时，如何保证随机数发生器和光子源之间不存在相关性成为了业界的一大难题，甚至给人一种选择漏洞可能根本无法填补的感觉。”

然而，米切尔和他的同事后来提出了一个创新的可能解决方案:将测量设置的选择外包给视频游戏玩家。在“大铃测试”中，每个游戏玩家都需要快速生成一个0和1的序列。科学家会尝试用机器学习算法来预测玩家的选择，并根据生成序列的可预测性给出玩家的得分。

2016年11月30日，约10万玩家在游戏中生成了近1亿个随机数，并传递给全球13个不同版本的贝尔实验。

想象一下大钟测试

正如今年年初Big Bell的实验团队所披露的，所有实验结果都表明量子力学成立。米切尔说:“如果人类有自由意志，那么大钟实验填补了选择的漏洞。”

但人有自由意志是一个极其哲学的假设，目前并不可靠，但确实有办法规避这个问题。

每一个时间上的事件空，比如爱丽丝和鲍勃，都有一个“过去光锥”:一个时间空体积，一个可以影响事件结果的“隐藏因子”，通过尽可能减少用于生成测量设置的随机事件与过去的相关性，也就是尽其所能，

这是麻省理工学院的安德鲁·弗里德曼和大卫·凯泽以及哈维·穆德学院的杰森·加里奇奥提出的替代方案。

大卫·凯泽说:“我们试图将随机数生成工作外包给宇宙本身，以获得最大的随机性。”

宇宙形成的实验

他们进行的实验是迄今为止最大的量子力学测试实验。

实验计划用6个望远镜和一系列光学装置收集一些数十亿年前星系发出的光，并将验证范围扩大到整个宇宙时间空，从而判断爱因斯坦生前的著名观点“量子力学的奇异性只是因为我们的认知不完整”是否正确。

这个方案思路很简单，但也很激进。

爱丽丝和鲍勃可以使用望远镜接收遥远天体发射的光子，并利用每个光子的颜色属性生成决定测量结果的随机数。例如，比阈值波长更红的光子可以触发两个偏振方向之一的测量，而比阈值波长更蓝的光子可以触发另一个方向的测量。通过利用宇宙本身的光子来设定测量参数，并证明量子力学仍然有效，可以证明在光传播到地球的过程中，不存在可以影响测量设定的“隐藏因素”。

为了将这一想法付诸实践，凯泽和他的同事们与奥地利量子光学和量子信息研究所的安东·泽林格、博士生张秀坤·劳奇主任进行了合作。在第一个实验中，他们将纠缠光子源放置在维也纳玻尔兹曼加塞研究所的屋顶上，而爱丽丝和鲍勃分别位于两栋建筑中。Bob在自然资源与生命科学大学五楼，光子源以北约1150米，Alice在奥地利国家银行九楼，光子源以南约550米。

图图自然资源与生命科学大学

每当夜幕降临，两地的研究人员都会用小型望远镜观测天空中南北方向的恒星空，望远镜采集到的光子信息会通过光纤传输到能够测量波长的仪器上。如果光子的波长小于700 nm，仪器会以一种方式产生一个结果，反之亦然，然后根据天体发出的光子随机产生0和1来设置测量参数。

和之前所有的实验一样，维也纳屋顶实验也表明了量子力学是正确的，在光子到达地球的600年左右的时间里，不存在可以影响观测设定的“隐藏因素”。

然而，凯泽和他的同事们最初提出了一个比维也纳屋顶实验更雄心勃勃的计划，想利用距离地球数十亿光年的类星体作为随机数发生器。

研究小组成员托马斯·谢德尔说:“类星体是离我们最远的物体之一，它的光强可以用光学望远镜观察到，但我们需要更大的望远镜来进行实验。”

和维也纳的屋顶实验一样，新的实验也需要三个不同的地理位置来放置爱丽丝和鲍勃这两个地方以及它们之间纠缠的光子源。

拉帕尔马的罗克·德·洛斯·穆查科斯山顶上有一架大型望远镜，几乎是实验的完美之选。爱丽丝将使用意大利的伽利略国家望远镜收集光子，鲍勃将使用荷兰、西班牙和英国共同资助的威廉·赫歇尔望远镜收集光子，由集装箱制成的临时办公室位于斯堪的纳维亚北欧光学望远镜的停车场，该停车场几乎就在爱丽丝和鲍勃之间，距离他们大约500米。

在实验中，爱丽丝和鲍勃观测到的类星体分别距离地球78亿光年和122亿光年。研究人员收集并分析了近18000对光子数据，结果再次表明量子力学是正确的。

加那利群岛拉帕尔马的意大利伽利略国家望远镜

如果爱因斯坦想象中的宇宙真的存在，它可能还不在我们的搜索范围内

因为两个类星体在天空中的方位不同空，它们过去的光锥只重叠了131.5亿光年左右，排除了96%可能的“隐藏因素”。

凯泽说:“事实上，他们过去的光锥已经延伸到宇宙诞生时的大爆炸。”

图|

但是问题依然存在，虽然实验解决了局部漏洞问题，最小化了选择漏洞问题，但是采样漏洞依然存在。

在实验中，光子需要通过空气体从光源传输到爱丽丝和鲍勃，这意味着需要足够的光子来保证探测器的探测率达到标准。凯泽说:“我们甚至没有试图填充采样孔。”

与此同时，由曾是泽林格和中国科技大学学生的潘建伟领导的中国团队针对他们实验中的三个漏洞采取了一些措施。

他们利用光纤将纠缠光子从光子源传输到上海郊区的爱丽丝和鲍勃，以最大限度地减少光子的损失，并利用距离地球约11光年的恒星发出的光产生随机数来设置观测参数。结果也表明量子力学是正确的。

目前有两个团队正在考虑如何进一步控制漏洞对实验结果的影响，比如用大爆炸产生的、来自宇宙微波背景辐射的光子设置观测参数。凯泽说:“这是一个非常吸引人却又阴暗的想法。要知道，宇宙中没有比背景辐射更老的光子。”

虽然两个团队的实验不能完全说爱因斯坦的想法是错的，大多数物理学家对量子力学的可靠性已经达成共识，不会对实验结果感到惊讶，但也不排除爱因斯坦的正确性的可能性，但如果爱因斯坦想象的宇宙真的存在，到现在应该已经被推出宇宙的一个小角落了。

关于量子力学的问题可能和以前一样深不可测。但对凯撒来说，这就是他们值得庆祝的原因。凯泽说:“我觉得量子理论现在看起来和以前一样好，而且还是很棒的。”

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参考:

https://www . newscientist . com/article/mg 24032040-100-Einstein-was-error-why-normal-physics-cant-explain-reality/

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