万人挑战量子物理全球大实验 结果出来了

对量子物理学感兴趣的读者可能还记得2016年11月30日的一个有趣的科学事件:大钟实验。该实验邀请了来自世界各地的大量志愿者参与贝尔不等式的证伪，打破了爱因斯坦对量子物理的终极怀疑。

志愿者需要做的其实很简单:在通关游戏中随机快速地按下“0”或“1”。这些随机数随后被分发到世界各地的九个研究机构进行实验，其中包括中国科技大学的潘剑伟团队。

为什么选择“人肉”来生成随机数？原来，传统的贝尔实验被批评为“*意志的漏洞”。批评科学家的人总是担心实验过程不是真正随机的，而是由某种上帝般的预设条件控制的。大钟实验的想法是相信人类有真正的*意志。即使“上帝”真的存在，数以千计的由*意志选择的随机数也足以发动一场使预设网络瘫痪的分布式拒绝服务攻击。

北京时间5月10日凌晨1点，实验结果以论文的形式发表在世界*学术期刊《自然》(论文链接)上。该实验共吸引了大约100，000名志愿者，并在12小时内每秒钟连续产生1000多位数据流。这些随机数被用于13个不同的贝尔实验，一些通过光子纠缠，一些通过原子系统或超导装置。大多数实验结果强烈否定了爱因斯坦的局域实在论，符合量子力学理论。

10万普通人是如何成功挑战爱因斯坦的？

“遥远的闹鬼”与爱因斯坦的本土化现实主义

科学家们在量子力学领域发现了许多奇妙的现象，比如叠加态。一个光子可以同时处于水平偏振和垂直偏振两种状态的叠加状态，一旦光子的状态被测量出来，它就会随机地坍缩到其中一种状态。

爱因斯坦不喜欢这种对“上帝掷骰子”的一般性解释。他认为测量结果受到一些未知“隐藏变量”的影响，被称为爱因斯坦的局部实在论。

所谓定位，是指信息传输的速度不能超过光速，一个位置的动作不能对其他位置产生即时影响。现实主义意味着我们观察到的现象都与物理现实的特征值相对应，不管我们是否观察到它们。

为了证明量子力学是一个不完整的理论，三位物理学家爱因斯坦、波多尔斯基和罗森假设了一个叫做EPR悖论的奇怪实验:

无论两个光子A和B在纠缠态下相距多远，它们都是有关联的。当光子A的状态改变时(例如，人们观察到它)，光子B的状态将瞬间改变。例如，如果甲的极化状态是“向上”，乙的极化状态必须是“向下”。

用爱因斯坦自己的话说，这简直是“遥远的闹鬼”。为此，他与另一位伟大的物理学家玻尔争论了半个世纪。

1964年，爱尔兰物理学家贝尔提出了一个可以作为爱因斯坦和玻尔之间的裁判的方法——“贝尔不等式”。如果“隐藏变量”确实存在，并且两个分离的粒子同时被测量，则结果的可能相关程度应该符合严格的限制。如果测量结果表明贝尔不等式是不正确的，爱因斯坦坚持局部实在论是错误的。

防止“隐藏变量”串通作弊

后来的实验逐渐证明，“闹鬼”的量子纠缠不仅仅是一个奇怪的假设，而是一个真实的现象。然而，严格地说，太接近的量子纠缠有一个“局域缺陷”，这不足以证明贝尔不等式。这是因为两个光子可能“串通作弊”，并通过不超过光速的通信通道传输彼此的状态信息。

2015年，荷兰代尔夫特科技大学的科学家完成了一项实验，声称没有漏洞，并伪造了1.3公里外两个钻石颜色中心之间的贝尔不等式。两个颜色中心之间直接光通信所需的时间约为4.27微秒，而完成实验所需的时间为4.18微秒。勾结的可能性被完全阻止了。

然而，批判科学家再次发现了一个新的漏洞:“*意志的漏洞”。这个漏洞意味着在实验中许多随机数将由许多随机数发生器产生。然而，为什么你认为随机数发生器会产生真正的随机数呢？我们如何确保这些随机数没有时间相关性？

为此，贝尔的大实验从世界各地招募志愿者，向人类的*意志传递了量子力学的尊严。

贝尔实验登月

有趣的是，贝尔实验可能解决了“*意志漏洞”，但“局部漏洞”又回来了。这是因为所有的参与者都在地球上，对于人类所需的反应时间(大约几百毫秒)来说，他们彼此靠得太近了。只有排除任何不大于光速的“隐藏变量”，我们才能证明量子纠缠确实是“遥远的幽灵”。

答案可能必须在太空中找到。

潘剑伟的团队利用世界上第一颗量子科学卫星墨子，创造了恒星和地球之间量子纠缠分布距离的记录，达到1200公里。接下来，他们计划将地球和月球之间的量子纠缠作为中国登月计划的一部分。

潘剑伟的博士生导师和国际量子物理大师切林格的选择是一个遥远的明星。2017年，切林格用两颗恒星发出的光的颜色作为贝尔实验的随机数。这两颗恒星分别距离我们600光年和1900光年。如果宇宙中真的有任何“隐藏变量”可以影响量子纠缠，那一定是至少600年前就有预谋的。