你玩的遊戲，被別人拿來發Nature：10萬玩家助科學家證明，愛因斯坦真的錯了

近一個世紀前，愛因斯坦與玻爾針對量子力學「超距作用」是否存在，展開了針鋒相對的交鋒。經過數代物理學家的檢驗，愛因斯坦的理論已經無限接近失敗，但實驗中的漏洞讓物理學家不敢輕易下定論。在今天發表於《自然》的一篇論文中，一支大型國際團隊將「自由選擇」漏洞成功填上。值得一提的是，超過10萬名全球遊戲玩家在這項研究中發揮了至關重要的作用：他們通過遊戲產生了物理學家夢寐以求的隨機序列。

編譯 | 王語嫣

審校 | 吳非

1935年，愛因斯坦與波多爾斯基、羅森提出著名的EPR佯謬（Einstein-Podolsky-Rosen paradox），質疑了量子理論的不完備性。量子力學認為，兩個處於糾纏態的粒子可以保持一種特殊的連接狀態：哪怕相隔遙遠的距離，只要測量其中一個粒子，就能立即知道另外一個粒子的狀態。這種「幽靈般的超距作用」遭到了愛因斯坦等人的反對。

愛因斯坦提出，任何物體具有以下兩個特性：1. 對物體進行觀察前，物體的狀態應該和觀察時一樣，即觀察不應該改變物體的狀態，稱為實在論。2. 物體只能夠對其周圍的事件作出直接反應從而產生變化，遙遠的事件無法對物體施加直接的影響，稱為定域性。兩條原則在一起合稱為定域實在論。量子力學理論與定域實在論相悖：量子的疊加性原理違反了實體論，量子糾纏違反了定域性。因此，在愛因斯坦與領銜提出超距作用的玻爾之間，只能有一個勝利者。

為了解決這一爭論，物理學家開始尋找糾纏態的驗證方式。他們發現，量子糾纏可以通過測量兩個粒子間的相干性得到檢驗。相比於經典物理，處於糾纏態的粒子間可以產生更強的相干性。基於這一思路，1964年，北愛爾蘭物理學家約翰·貝爾（John Bell）提出「貝爾不等式」：基於經典物理，兩個粒子間的相干性存在一個上限。超過這個數值，就能證明兩個粒子處於糾纏態。這一發現也為破解愛因斯坦與玻爾的世紀爭論提供了一條可行的實驗思路。

約翰·貝爾

貝爾測試的漏洞

在貝爾提出的檢驗方法「貝爾測試」中，一對相互糾纏的粒子（如光子）會被送往不同的地方。物理學家將隨機選擇一種性質，比如光子的極性，對兩處的粒子分別進行測量。如果測量發現這兩個粒子產生的結果一致，將證實一件令人震驚的事情：對一個粒子的測量對另一個粒子產生了瞬時的影響（儘管相隔很遠），或者是更為奇特地，測量本身讓這個粒子產生了這個之前從沒出現過的特性。不管是哪個推測，這個結果都違反了定域實在論原則。

自上世紀70年代起，貝爾測試陸續在多個實驗室開展，這些實驗的結果都堅定支持了量子糾纏的存在。愛因斯坦的定域實在論開始搖搖欲墜，但卻一直沒有被完全踢出局，因為嚴謹的物理學家意識到，這些測試都不可避免地存在一些漏洞。其中一個重要原因是，貝爾測試中存在一道看似簡單的屏障卻始終難以逾越：對粒子實現真正的隨機測量。

粒子本身可能會對測量的選擇產生影響，如果這種情況真實存在的話，那就像讓學生自己給自己出考試題一樣，會對實驗結果產生很大的影響。使用擲骰子或生成隨機數的方式也無法修補這個漏洞，因為產生隨機數或擲骰子的系統可能與糾纏粒子存在某種聯繫。由於這個「自由選擇」漏洞的存在，此前的實驗都無法真正判定量子力學的勝利。

10萬人修復漏洞

怎樣才能實現真正的隨機測量，修復「自由選擇」漏洞？一支名為「大貝爾實驗協作項目」國際研究團隊想到了一套原始卻巧妙的方案：通過足夠多的群眾產生隨機數據。由於人類的選擇是主觀產生的，它可以擺脫粒子系統產生的影響。如何讓儘可能多的人心甘情願地參與到研究項目中來？最好的辦法，就是將實驗融入遊戲中。

為此，研究人員設計了一套名為「Big Bell Quest」的遊戲。這款遊戲包含了兩個項目：一是不停地按0或1推動粒子前進，另一種是通過按0或者1,來猜測盒子中的小球顏色。這兩個遊戲的目的，都是讓玩家產生一組由0和1組成的比特序列。

這些比特被輸送到全球12座先進的實驗室中，這其中包括中國科學技術大學上海研究院。其餘11座實驗室分別位於布里斯班、維也納、羅馬、慕尼黑、蘇黎世、尼斯、巴塞羅那、布宜諾斯艾利斯、智利的康塞普西翁以及美國博爾德。每一座實驗室分別負責不同的測量項目，而玩家所產生的隨機序列，決定了粒子被測量的項目。

正在參與「Big Bell Quest」的玩家。

你也可以點擊官網（https://thebigbelltest.org/）參與遊戲。（要翻牆的哦）

2016年11月30日，全世界超過10萬人通過手機或者其他聯網設備參與了這場史無前例的，被稱為「大貝爾測試」的物理實驗。玩家在遊戲中不斷挑戰著更高難度，而遊戲玩家的數據流在也以每秒逾1000比特的速度被傳送給研究團隊。在12小時之內，他們貢獻了超過9700萬個比特的數據。

藉助10萬人提供的大規模數據集，貝爾測試中的「自由選擇」漏洞終於被填上。而隨後的實驗結果也沒有出乎科學家們的預料：實驗數據依然與愛因斯坦的定域實在論相悖，而支持量子理論的預測。

全民參與科學實驗

大貝爾測試的領導人，巴塞羅那光子科學研究所（ICFO）教授Morgan Mitchell說：「對我而言，最美妙的部分在於愛因斯坦與玻爾的爭論，儘管近一個世紀的努力使其可以被實驗數據檢驗，但還依然保持了哲學的成分。我們通過精密的儀器證明了希格斯玻色子與引力波的存在、建造了複雜的系統來檢驗物理規則。但定域實體性是我們無法完全交給機器去完成的問題。看起來似乎我們人類本身必須作為實驗的一部分參與進來，才能找到宇宙的最終答案。」

除了最終的科學成果，大貝爾測試的另一個重要意義在於，讓普通群眾參與到重大科學研究項目中來。ICFORiedmatten教授說：「大貝爾測試是一次絕佳的體驗。我很高興能看到全世界的志願者們產生的隨機數能即時作用於我們的實驗，也很高興能看到這麼多人參與進一次量子物理實驗中。」

這次實驗的發起人，ICFO的研究員Carlos Abellan說：「大貝爾測試是一個無比具有挑戰性和野心勃勃的項目。在一開始，這個項目聽起來難到無法完成，但在2016年11月30日這天，它在一批飽含熱情的科學家、科普工作者、記者和媒體，以及最重要的10萬志願者的努力下成為了現實。」

原始論文：

參考鏈接：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-05/iiop-tbb050418.php

https://physicsworld.com/a/computer-gamers-close-freedom-of-choice-loophole-of-quantum-entanglement/

https://www.livescience.com/62523-physicists-crowdsource-a-reality-check.html

《環球科學》5月刊現已上市

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