支持量子力学的证据

CHSH论文末了的一条注释里提到,该论文是对约翰?克劳瑟在美国物理学会1%9年春季会议上所发表论文的拓展。就这样,—场竞争化成了伟大的合作,四位物理学家的生命紧紧“纠缠”在一起。多年以后,约翰?克劳瑟回忆说:“在写这篇论文的过程中,阿伯纳、迈克尔和我建立了持久的友谊,后来又有过很多合作。”克劳瑟取得哥伦比亚大学的博士学位后,到加州大学伯克利分校做博士后研究,跟著名物理学家查尔斯?汤斯(CharlesTownes)共事;汤斯曾获诺贝尔奖,是激光的发明者之一。克劳瑟的博士后研究课题厲于射电天文学领域。但是,他的主要研究兴趣还跟从前一样,在于ffl子力学的基本原理。现在,他在贝尔不等式验证方法上已取得了突破,CHSH论文又大获成功,他对其他领域的课题更加失去了耐心。克劳瑟只等着真正动手实施他们的实验了。CHSH论文就是这个历史性实验的蓝图。幸运的是,尤金?康明斯当时还在伯克利分校。于是克劳瑟找到査尔斯?汤斯,问能否允许他暂时把射电天文学研究放一放,先做CHSH实验。没想到,汤斯同意了,甚至还建议他用一半的时间去做CHSH实验。尤金?康明斯也很乐意合作,因为CHSH实验是由他从前跟科歇尔合作的一项实验的基础上发展出来的。他提出让自己的研究生斯图亚特?弗里德曼(StuartFreedman)帮助克劳瑟做这项实验。而波士顿那一头,西摩尼和霍恩也在全力支持他。克劳瑟和弗里德曼开始准备实验装置。克劳瑟不断催促弗里德曼要更快更努力,因为他知道在哈佛大学,CHSH的作者之一理查德?霍尔特也在准备实验。弗里德曼是一个25岁的研究生,对fl子力学基本原理没有多少兴趣,不过他觉得这个实验很苻趣。克劳瑟不顾一切地要完成实验;他知道哈佛的ffi尔特和皮普肯在紧追不舍,他想第一个验证量子论究竟正确与否。他在心里暗暗打赌,认为爱因斯坦的隐变量理论很可能是对的,而量子力学很可能会在光子纠缠问题上土崩瓦解。早先,克劳瑟还在独自设计实验的时候,就给贝尔、波姆、德布罗意写过信,询问他们是否听说过类似的实验,以及这类实验是否重要。几位大物理学家回信都说没有见过同类实验,并且认为克劳瑟的实验方案值得一试。约翰?贝尔的反应尤为热烈——这毕竟是头一回有人来信关注他那篇论文和他的定理。贝尔写信对克劳瑟说:㈣“考虑到量子力学总体上的成功,我不敢怀疑此类实验的结果。不过,我还是很希望有人做一做这些实验,把结果记录下来,从而直接地验证一些关键的概念。再说,出现意想不到的结果也不是没有可能,那可是要震惊世界的!”我们后面会看到,甚至还有一种复杂的“纠缠交换”现象(entanglementswapping),其中的两个纠缠粒子会跟其他粒子发生交换。可以说,1969年在美国上演的这出科学大戏中,人物之间恰恰发生了这种“纠缠交换”。西摩尼、霍恩跟?尔特发生了纠缠,?尔特将会按照他们的详细指示去做实验。他们了解到克劳瑟自己做的研究时,便拿出了霍尔特将要做此实验的事实,结果克劳瑟也跟他们发生了纠缠。他们四人写出了具有开创性的CHSH论文,提出了一个重要的实验方案,接着理查德?霍尔特从这种“纠缠”当中脱离出来,继续做他自己的实验。也许正因此事,许多年后,克劳瑟回忆他们之间的关系时,只提到霍恩和西摩尼,而没有提霍尔特。实验的准备工作一步步地进行着。贝尔的热情,以及来自克劳瑟在波士顿结识的新朋友的支持与合作,都激励他不断地探索。实验结果究竟是会违背贝尔不等式、证明量子论是正确的,还是会显示爱因斯坦等人的定域实在观是赢家?克劳瑟认为爱因斯坦的定域实在观是对的,他跟以色列海法技术工程学院的亚克?阿哈朗诺夫(YakirAharonov)打了个赌,以二比一的赔率赌量子论输。西摩尼则是心平气和,听凭实验来显示结论。霍恩认为量子力学会E,因为量子论在过去一向是那么成功:无论情况如何变化,它总能极其准确地预测结果,从未失手过。该实验中使用的光信号很弱,还有很多杂散级联(spuriouscascades)产生非相关的光子。实际上,每一百万对光子中只有一对能被符合计数器侦测到。后来,这一缺陷被称为“侦测漏洞”(detectionloophole),而且这个问题是必须解决的。由于记数率太低,克劳瑟和弗里德曼用了两百多个小时进行这项实验,才得到一个有用的结果。但他们的最终实验结果有力地支持了最子论,否定了爱因斯坦的定域实在观和隐变量理论。克劳瑟-弗里德曼实验结果令人非常满意,意义非常重大。量子力学以超过5个标准方差的优势战胜了隐变量理论。也就是说,贝尔不等式中S的测量值完全符合量子力学的预测,以5倍于实验数据标准方差的fl超出了贝尔不等式所规定的上限。克劳瑟-弗里德曼实验也遗留了一些问题。特别是,为了得到纠缠光子对,这个实验设置生成了大量未被观察的光子。另外,实验所用的探测器功效也十分有限。因此,探测器的有限功效和大量未被观测的光子对实验结论的影响究竟有多大,就成为一个重大问题。克劳瑟和弗里德曼的贡献是伟大的——他们找到了支持量子力学,反对隐变量理论的最好证据。他们是用当时最先进的技术取得实验结果的,但是这种技术还不完善。可叹的是,克劳瑟当时正好是在激光的发明者汤斯的手下做博士后研究,却没能在实验中使用激光技术,因为尚且无人知道该如何使用激光。要不然,克劳瑟和弗里德曼就可借助激光更快地得到纠缠光子对了。与此同时,哈佛大学的霍尔特和皮普肯也获得了实验结果。但是他们的实验结果却是符合爱因斯坦的定域实在观和隐变量理论,违背量子论。由于霍尔特和皮普肯都信仰量子论,他们决定不发表实验结果,等待伯克利的实验小组发表结论。\r

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