諾貝爾物理獎得主反證愛因斯坦量子力學悖論

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【大紀元2022年10月24日訊】(大紀元記者林達編譯報導)被物理學家愛因斯坦稱為「幽靈般超距作用」,即兩個相隔很遠的粒子可以產生瞬時的相互作用,是量子物理學如此怪異和違反直覺的原因。

10月4日上午,瑞典王家科學院(Royal Swedish Academy of Sciences)將2022年諾貝爾物理學獎授予了三位量子物理學家 —— 阿蘭·艾斯派克(Alain Aspect)、約翰·F·克勞瑟(John F. Clauser)和安東·蔡林格(Anton Zeilinger) ——其研究證實了這一怪誕的現象,並將其置於技術革命的核心。

諾貝爾委員會在其網站上的一份聲明中表示,將2022年諾貝爾物理學獎聯合授予了這三人,以表彰他們各自所做的傑出工作,「光量子糾纏實驗確立了對貝爾不等式的違反,以及開創了量子信息科學」。

諾貝爾物理學委員會秘書烏爾夫·丹尼爾森(Ulf Danielsson)告訴大眾力學((Popular Mechanics)):「量子力學最引人入勝的預測之一是量子糾纏,可以製造出在空間上距離很遠的多個粒子,其表現卻像一個整體。」 三位獲獎者的開創性實驗表明,這種令人難以置信的現像在宏觀距離上仍然存在,證明了人類直覺的缺陷。」

瑞典烏普薩拉大學(Uppsala University)理論物理學教授丹尼爾森(Danielsson)指出,這種跨距離粒子之間的瞬間量子連接現像在經典物理學中沒有得到解釋。

他補充說,三位獲獎者的研究成果不僅對理解世界很重要,而且指向未來的應用,例如使用量子密碼學進行安全通信,以及構建功能強大的量子計算機

證明愛因斯坦錯了

在量子物理學中,量子糾纏描述了一種狀態,當實驗者去測量兩個粒子之一的某個物理變量,另一個粒子會瞬間做出響應。這猛一聽好像也合理,但考慮到這兩個相互糾纏的粒子即使位於宇宙的兩端,這一瞬間的改變也會發生,這就變得不可理解了。

量子糾纏,正如 1930 年代首次提出的那樣,違反了「定域性原理」(local realism)的概念,可以歸結為兩種說法。首先,所有粒子針對各種實驗測量都具有其確定的屬性;其次,粒子之間的通訊不可能快過光速。

糾纏的瞬時作用至少挑戰了兩個前提中的一個,甚或兩個。對愛因斯坦來說,通過對定域性的挑戰,這種瞬間變量對他的狹義相對論的關鍵原理之一(即:沒有什麼比光速更快)構成了挑戰 。

愛因斯坦認為,量子糾纏及其「幽靈般的遠距離作用」並沒有違反定域性原則;相反,它正是表明量子物理學本身是不完整的。他相信最終會找到將一個粒子的某個可測量變量瞬間連接到另一個粒子的「因素」。他和其他物理學家認為這類尚未發現的「因素」後來被稱為「局部隱藏變量」。

三位得獎者之所以得獎,是因其最終證明了「局部隱藏變量」並不存在。然而,非定域性不違反相對論的原因尚不清楚,此後一直受到激烈爭論。一種建議是糾纏粒子仍然是同一系統的一部分,因此它們之間的距離無關緊要。不過,這聽起來更像是哲學領域的探討。

確認量子物理學已完成

1964 年,北愛爾蘭物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾(John Stewart Bell)設計了貝爾定理,表明定域性是一個可檢驗的假設。打破定域性原理即被稱為「違反貝爾不等式」。

美國理論和實驗物理學家克勞斯(Clause)與加州大學研究生斯圖爾特·弗里德曼(Stuart Freedman)於 1972 年設計了第一個實驗來尋找這種違規行為。兩人做了一個實驗,將兩個糾纏的光子以相反的方向發送到兩個固定的偏振濾光片。

這些濾光片要麼阻擋光子,要麼根據光子的角度及偏振讓它通過並抵達探測器,使它反映與其配對糾纏的粒子的狀態。所得結果證明不存在隱變量,因此符合量子理論。換句話說,該實驗違反了貝爾不等式。

從那時開始,研究人員可以自由地推測用量子力學的非定域性特質可以做些什麼應用。從而導致量子密碼學和更普遍量子技術的發展。

尼古拉斯·布魯納(Nicolas Brunner)是日內瓦大學的副教授,其研究領域是量子基礎理論和量子信息處理。這意味著他的研究強烈依賴於量子糾纏和非定域性的概念。

「你可以使用光子的糾纏來創建一個加密系統,遙遠的雙方可以在完全隱私的情況下交換秘密信息,」他說。 「量子力學定律保證了隱私和安全。」

至於這個獎項對量子物理和量子信息領域的意義,布魯納認為非常重要。 「自從開始攻讀博士學位以來,我從事量子非定域性研究已有 20 年了。現在它被最重要的物理學獎如此認可,這真的很了不起。這確實是對普遍量子信息領域中學科重要性的認可。」◇

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