2022年诺贝尔物理学奖背后的故事——贝尔不等式诞生之后
前言:诺贝尔奖授予三位物理学家,表彰他们通过光子纠缠实验,确定贝尔不等式在量子世界中不成立,并开创了量子信息这一学科。
在理论物理学中,贝尔不等式(Bell’s inequality)是一个有关是否存在完备局域隐变量理论的不等式。实验表明贝尔不等式不成立,说明不存在关于局域隐变量的物理理论可以复制量子力学的每一个预测(即贝尔定理)。
所以这次诺奖所证明的内容并不算是新的理论,因为贝尔不等式1964年就提出来了。提出来后,也有很多实验来证明该不等式的正确性。这次是通过光子纠缠实验来证明,更重要的是开创了量子信息这一学科,这大概是他们获奖的真正原因。
贝尔
值得一提的是贝尔本人,全名约翰·斯图尔特·贝尔并没有因为提出此理论而获得诺贝尔奖,既然该理论属于划时代性的发现,就应该在他还活着的时候给他颁发一个,因为当时有实验证明了他的理论。可惜贝尔现在已经去世。约翰·贝尔于1990年因一场突发的脑溢血,于日内瓦过世,享年62岁。
其实在贝尔前后,别的物理学家也达到了和贝尔类似的认识,比如,李政道在贝尔之前就认识到具有定域隐变量的体系不可能有中性介子那样的量子力学关联。继贝尔之后,布歌尔(W.Buehel)与维格纳(E.P Wigner)等人对贝尔不等式给出了不同的证明,1979年后克劳塞、西蒙尼等人则导出了更为实用的广义不等式。包括法国物理学家埃斯帕纳所作的证明和洪定国所介绍的证明在内,贝尔不等式已有了多种证明方法。
李政道
2022年诺贝尔物理学奖获得者:法国物理学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽(John F. Clauser) 和奥地利物理学家安东·塞林格(Anton Zeilinger)他们通过光子纠缠实验,确定贝尔不等式在量子世界中不成立,并开创了量子信息这一学科。
很多人并不了解贝尔不等式和该理论所诞生的背景,本文旨在通过通俗的语言,让你明白经典物理和量子力学中的矛盾。而这个矛盾随着贝尔不等式诞生,而有了结论。本文全文9575字。篇幅较长,但如果你仔细阅读,反复阅读,就会对物理世界产生深刻认识。
本文摘录量子力学科普书籍《见微知著》第二章《从EPR之争到贝尔不等式。《见微知著》也属于灵遁者科普四部曲中的第二本。其他三本为《变化》,《探索生命》,《重构世界》。灵遁者书籍互动:tansuozhizi
灵遁者科普书籍《见微知著》
现代物理学在评判一个理论的正确性或成功性时,最重要的标准是该理论本身的自洽性和能否很好地解释实验规律,因此,即使该理论违背了直觉或一些早已在人们心中根深蒂固的“事实”,那也在很大程度上是可以接受的。
真正的好的理论,并不是它能够推翻人们先前对这个世界的某些认识,或是多么晦涩难懂,而是,首先它是自洽的并且能够完美地解释和预测实验,其次它是简洁直观的。
就像EPR论文对量子力学的质疑给出条件,任何成功的物理理论必须满足以下两个条件:
1、物理理论必须正确无误。
2、物理理论必须给出完备的描述。
对于第一个条件,物理理论是否正确,决定于物理理论预测符合实验检验结果的程度。在这方面,量子力学的预测与实验检验结果之间,并没有什么明显的差别,可以很好的描述微观世界。量子力学似乎正确无误。
那么EPR论文主要聚焦于第二个条件,EPR论文对于“完备性”这术语给出必要条件(完备性判据):物理实在的每个要素都必须在物理理论里有其对应的要素。换句话说,一个完备的物理理论必须能够准确描述物理实在的每个要素。
EPR论文又对于“物理实在的要素”这术语给出充分条件(实在性判据):假设在对于系统不造成任何搅扰的状况下,可以准确地预测(即以等于100%的概率)一个物理量的数值,则对应于这物理量存在了一个物理实在的要素。
EPR论文接着开始描述,先前相互作用的两个粒子,在分离之后的物理性质。EPR论文推论出位置、动量都是物理实在的要素,都能够分别预先决定粒子B的准确位置、准确动量。但是,这违背了量子力学的不确定性原理,因为位置算符与动量算符不对易,无法同时确定粒子B的位置与动量。
因此,对于位置和动量,量子力学无法给出对应的理论要素。EPR论文断言,量子力学对于物理实在的描述并不完备。EPR论文最后这样说:“我们已指明波函数不能对于物理实在给出完备性描述,在这同时,我们暂且搁置关于这描述是否存在的问题,然而我们相信,这种完备性的理论可能存在。”
局域论与实在论,合称为“局域实在论”。EPR作者借着EPR思想实验来指出局域实在论与量子力学完备性之间的矛盾,这论述就是所谓的“EPR悖论”。
定域论只允许在某区域发生的事件以不超过光速的传递方式影响其它区域。实在论主张,做实验观测到的现象是出自于某种物理实在,而这物理实在与观测的动作无关。
换句话说,定域论不允许鬼魅般的超距作用。实在论坚持,即使无