50年物理难题盖棺定论 爱因斯坦错了

尽管爱因斯坦是量子理论的创始人，但他一生都不愿接受量子力学的怪诞结论。他说了一句非常著名的谚语，“上帝不掷骰子”，旨在否定量子力学对物理世界概率的描述。尽管爱因斯坦已经去世60年了，但他留下的争论一直是科学界的热门话题。然而，几天前荷兰物理学家公布的实验结果最终表明爱因斯坦错了。

自从量子力学诞生以来，争论就没有停止过。尽管以丹麦物理学家玻尔为代表的哥本哈根学派认为量子力学是完整的、不言自明的，但像爱因斯坦这样的物理学家一直坚持认为量子力学不是终极理论。爱因斯坦认为物理世界的主宰是传统的机械决定论，而不是概率。这两个政党长期以来针锋相对，并一直处于交战状态。他们争论的焦点是“量子纠缠”，这直接挑战了经典物理的局域化描述。例如，两个向相反方向运动的光子，只要不受干扰，就可以立即传输信息，不管它们相距多远。例如，即使牛郎和织女在银河的两端被分开，彼此心灵的映射也会立刻完成。

爱因斯坦不能接受这样的结论，因为根据他的相对论，信号传输的最快速度是光速，两个相距甚远的物体不可能在瞬间交换信息。换句话说，如果银河系有100，000光年大，织女需要100，000年才能知道牛郎的召唤。这绝不是一个即时事件。爱因斯坦还提出了著名的“隐变量理论”，并将量子力学不能给出确定结果的概率问题归结为人们对一些未被发现的“隐变量”的忽视。他认为相互偏离的两个光子一定有某种内在机制决定了它们随后的行为，但人们并不知道。也就是说，牛郎和织女每年分手时必须达成协议，并在未来的某个时候思念对方。只有这样的协议还没有被王母娘娘发现。

简而言之，如果爱因斯坦是对的，人们仍然可以按照传统的科学思想来理解世界。如果哥本哈根学派是正确的，人们将不得不推翻许多根深蒂固的观念，重新审视我们的世界。人们不得不承认现实世界与我们通过感官触摸和看到的世界完全不同。当时，许多人认为这样的辩论不会有结果，因为它已经超出了科学的范围，成为一个哲学问题。

这种转变发生在20世纪60年代中期，当时爱因斯坦已经去世10年了。欧洲核研究组织(CERN)的约翰·贝尔在访问美国期间发表了一篇著名的论文，将这个看似抽象的哲学问题简化成一个清晰的数学不等式，称为“贝尔不等式”。贝尔不等式实际上意味着，如果爱因斯坦提出的隐变量存在，实验结果(大量独立重复实验的统计概率)将被限制在特定实验条件下的一个范围内。一旦实验测量超出这个范围，也就是说，如果贝尔不等式不成立，爱因斯坦是错误的，隐藏变量理论是不正确的。由于贝尔不等式可以通过实验直接观察到，爱因斯坦和哥本哈根学派之间的争论不再是形而上学的和神秘的。相反，人们开始热衷于贝尔不等式的实验观察。

然而，实验测量并不简单。在过去的50年里，无数的实验方案被提出，但是每一个方案都有它的漏洞。因此，尽管许多实验产生了违反贝尔不等式的结果，但是由于漏洞的存在，贝尔不等式不能被逻辑地和直接地证明。令人振奋的是，荷兰代尔夫特科技大学的罗纳德·汉森(Ronald Hanson)领导的科研团队终于实现了没有漏洞的实验观察，这直接证明了贝尔不等式50年来第一次站不住脚。

汉森的实验设计非常聪明。他们在相距1.28公里的两个实验室里，用微波在极低的温度下激发钻石中的电子。当电子被激发时，它们也会发射出与自身纠缠的光子。两边的光子通过光纤传输到位于两个实验室之间的另一个检测点，在那里光子的到达时间被精确记录。如果从两侧发射的光子同时到达并以特定的方式干涉，这两个光子将立即纠缠它们“代表”的电子，从而实现远程量子纠缠。这就像10万光年之外的牛郎和织女，派遣天使在鹊桥相会。如果两个天使同时到达并正确表达了他们主人的意思，牛郎和织女将实现一个远距离的“约会”。

由于双方的实验室都在同时测量电子的自旋，一旦两个电子实现远程量子纠缠，仪器将记录它们在不同方向的自旋频率。大量观测数据的统计结果表明，贝尔不等式并不成立。这个实验唯一不令人满意的地方在于光子准确同时到达两边的成功率很低。只有大约1.5亿个光子对可以让一个光子成功干涉并实现电子的长距离纠缠。因此，实验持续了22个多小时，只获得了245个有效数据。然而，该团队目前正在努力改进，以提高效率。

他们的实验结果刚刚发布，还没有在官方杂志上发表，但是他们已经受到了物理学界的广泛关注。澳大利亚格里菲斯大学的霍华德·怀斯曼评论道:“这是量子物理学中一篇里程碑式的文章，尽管他没有参与实验。在悉尼大学工作的物理学家克里斯托弗·费里认为，这项实验将产生深远的影响。他说“物质世界与人们日常直观看到的世界有很大的不同，人们不再对此有任何怀疑。”维也纳大学的安东·蔡林格领导着一个与荷兰汉森竞争的研究团队。当他看到汉森非凡的成就时，他不禁说，“这是一个非常美丽的实验。除了祝贺他们的团队，别无他物。”他还说，如果爱因斯坦还活着，他会被深深打动。