愛因斯坦錯了？史上最大貝爾實驗再度驗證他始終不滿意的量子力學

當量子力學在近一個世紀前首次被發現時，它顛覆了人們此前對宇宙的兩個基本假設，一個是客觀實在性（realism），一個是「非局部性（non-locality）」。

在客觀實在性的問題上，相比經典物理，量子力學認為一個獨立於觀察者的世界是不存在的，所謂的現實在被觀察前都是不可描述的。而在第二個問題，「非局部性」上，量子力學中的「糾纏」能違背了愛因斯坦的相對論，允許處於一個時空的事件能瞬間影響處於另一個時空的事件，而在相對論中，光速才是宇宙中的最快速度。

由於發現了光量子，愛因斯坦被認為是量子理論的創建者之一，但愛因斯坦對後來的量子力學並不滿意，並認為量子力學理論不完整，簡單的一句話是——「上帝不丟骰子」。在他看來，量子力學的概率特徵是其理論不完備的表現，愛因斯坦生前曾一直並堅信其背後一定有著更為深層的物理原理能對此給出解釋，直至他於 1955 年去世，問題也仍未得到解答。

但是，迄今為止最為宏大的貝爾實驗再次驗證了量子力學的可靠性：圍繞量子力學中頗為關鍵的一個漏洞——選擇漏洞，一個國際小組將他們的貝爾實驗「外包」給宇宙，讓宇宙參與生產隨機數，以獲取最大的隨機性。

除此之外，中國科技大學的潘建偉所領導的中國團隊也在他們的實驗中對包括選擇漏洞在內的量子力學所有三個漏洞都做了一定的探索。

這些實驗或許很快就能證明，整個世界或許都遵循著這一愛因斯坦生前並不喜歡的理論。

（來源：Quanta Magazine）

量子力學「填不完的漏洞」

在檢驗量子力學上，一個很有名的實驗是貝爾實驗，其發起人是北愛爾蘭理論物理學家約翰·貝爾。

1964 年，約翰·貝爾終於為實驗學家們提供了一種可行的量子力學檢驗方法。在貝爾實驗中，由一個糾纏光子源分別向愛麗絲和鮑勃兩個接收者發送光子，每個觀察者獲得這對糾纏光子中的一個。愛麗絲和鮑勃將分別測量所接受光子偏振性（極性），然後對比測量結果來判斷兩個測量結果之間是否存在相關性。

在大多數貝爾實驗中，這一特定量子屬性都被選為了「某一特定有效方向上的極化」。

經典物理認為兩個光子的測量結果間沒有任何聯繫，在貝爾實驗中，任何認可真實性和局部性的理論都預測測量結果間的相關性存在一個最大值。而量子力學的非局部性則允許測量間的相關性超出這一最大值。

首個較為完整的貝爾實驗於上世紀 70 年代被完成，結論是客觀實在性和局部性的崩塌，量子力學獲得勝利。

（來源：Resonance Science Foundation）

但這些早期貝爾實驗不能完全排除「隱藏理論」的存在。例如，如果進行實驗的兩人，愛麗絲和鮑勃相距不夠遠，以光速傳播的「隱藏」影響就可能會導致愛麗絲的測量結果對鮑勃的測量構成影響。

除了剛才所提到的局部性漏洞，早期貝爾實驗還存在一個抽樣漏洞和一個選擇漏洞。抽樣漏洞指的是假如愛麗絲和鮑勃使用的探測器效率很低，僅能檢測到一小部分光子，實驗結果就可能會產出一個本不存在的相關性，而選擇漏洞則與愛麗絲和鮑勃選擇的測量設定是否完全獨立有關，因為哪怕是一丁點的選擇相關性都會摧毀實驗的完整性。

雖然在 2015 年有一系列實驗稱它們通過將愛麗絲和鮑勃在太空中分開足夠遠的一段距離，並為觀測者分配備高速隨機數字生成器和高效探測器成功填補了上述三個漏洞，並得出結果表明量子力學依然正確。

但澳大利亞國立大學（Australian National University）的 Michael Hall 早在 2011 年就已提出「隨機數生成器可能在效果上不足以填補選擇漏洞」，認為如果隨機數生成器和光子發射源在過去通過某種隱藏機制進行過交互，觀察者的測量設定，甚至光子本身的一些屬性就會因此受到影響，進而使實驗觀測到一些本不該存在的相關性。

西班牙光子科學研究所（Institute of Photonic Sciences）的 Morgan Mitchell 說：「當時，如何能確保隨機數生成器與光子源間未存在過關聯成了業界的一大難題，甚至給人一種『選擇漏洞或許根本就無法填補』的感覺。」

但 Mitchell 和同事後來提出了一個具有創新性的可能解決方案：將測量設定的選擇外包給玩視頻遊戲玩家。在「大貝爾實驗（the Big Bell Test）」中，每個遊戲玩家都需要快速生成 0 和 1 的序列，科學家會用機器學習演算法則會嘗試預測玩家的選擇，按生成序列的可預測性給出玩家的得分（越不可測得分就越高）。

2016 年 11 月 30 日，大約 10 萬名玩家在遊戲中生成了近 1 億個隨機數字，這些數字被傳給了全球各地的 13 個不同版本的貝爾實驗。

圖丨the Big Bell Test（來源：the Big Bell Test）

而正如大貝爾實驗團隊於今年年初所透露的那樣，所有的實驗結果都表明量子力學成立。Mitchell 說：「如果人類有自由意志，那大貝爾實驗就已經填補了選擇漏洞。」

然而，人有自由意志是一個極為哲學的假設，眼下並不可靠，但也確實有一個辦法能繞開這個問題。

時空中的每個事件，例如愛麗絲和鮑勃進行測量，都有一個「過去光錐（past light cone）」：一個時空體積，一個以小於等於光速的速度傳播，能影響事件結果的「隱藏因素」，而通過儘可能地降低用於生成測量設定的隨機事件與過去相關性，也就是儘可能的縮小「過去光錐」的體積，我們便能繞過自由意志的假設，以一種相對可靠的方法填上選擇漏洞。

這便是麻省理工學院的 Andrew Friedman、David Kaiser 和哈維姆德學院（Harvey Mudd College）的Jason Gallicchio 所提出的一個替代方案。

David Kaiser 說：「我們試圖將隨機數生成工作外包給宇宙本身，以獲取最大的隨機性。」

宇宙生成的實驗

他們所進行的這個實驗是迄今為止最大的一次量子力學檢驗實驗。

實驗計劃用 6 台望遠鏡和一系列光學設備收集由一些星繫於數十億年前所發出的光，將驗證範圍擴大至了整個宇宙時空，進而判斷愛因斯坦生前的著名觀點，「量子力學的怪異之處不過是因為我們的認知還不完整」是否正確。

這個方案的設想很簡單，但也很激進。

愛麗絲和鮑勃可以用望遠鏡接收由遙遠天體所發出的光子，並利用每個光子的顏色屬性為生成決定測量設定的隨機數字。例如，較閾值波長更紅的光子可在兩個極化方向中的一個方向上觸發測量，而較閾值波長更藍的光子則可在另一個方向上觸發測量。通過使用宇宙本身的光子來設定測量參數，並證明量子力學依然有效，我們便能證明在光向地球傳播的過程中沒有任何「隱藏因素」能影響測量的設定。

為了將這一設想付諸實踐，Kaiser 和同事與博士生 Dominik Rauch 的主管、奧地利量子光學和量子信息研究所的 Anton Zeilinger 合作進行了多次嘗試。在第一次實驗中，他們將糾纏光子源放置在了維也納 Boltzmanngasse 研究所的屋頂上，而愛麗絲和鮑勃則分別位於兩座建築中。鮑勃在自然資源和生命科學大學（University of Natural Resources and Life Sciences，）的五樓，位於光子源以北約 1150 米，愛麗絲位於奧地利國家銀行的九樓，位於光子源以南約 550 米。

圖丨自然資源和生命科學大學（來源：自然資源和生命科學大學）

每當夜晚降臨，位於兩地的研究人員就會用小型望遠鏡分別觀察天空中南北兩個方向上的恆星，而望遠鏡所收集到的光子信息則會被光纖傳給一個能測量波長的儀器，如果光子的波長小於 700 納米，儀器會以一種方式生成結果（比如生成數字 1），反之亦然，進而根據天體所放出的光子隨機生成 0 和 1 來設置測量參數。

而與之前所有的實驗一樣，維也納屋頂實驗（the Vienna rooftop experiment）也表明量子力學正確，以及在光子到達地球的 600 年左右的時間裡不存在能對觀測設定構成影響的「隱藏因素」。

（來源：麻省理工科技評論）

但 Kaiser 和同事原本所提出的計劃較維也納屋頂實驗要更為宏大，想用距地球數十億光年的類星體作為隨機數生成器。

研究團隊成員，Thomas Scheidl 說：「類星體是離我們最遠的物體之一，其光強可讓它被光學望遠鏡觀測到，但我們需要更大的望遠鏡才能進行試驗。」

與維也納屋頂實驗一樣，新的實驗也需要三個不同的地理位置，用以安置位於兩地的愛麗絲和鮑勃，以及位於他們之間的糾纏光子源。

位於 La Palma 的 Roque de los Muchachos 山頂上建有大型望遠鏡，對實驗來說有著近乎完美的配置。愛麗絲會用義大利的伽利略國家望遠鏡（the Galileo National Telescope）收集光子，鮑勃會用由荷蘭、西班牙和英國聯合資助的 William Herschel 望遠鏡收集光子，而一個放有用於產生糾纏光子對的光學儀器，由集裝箱製成的臨時辦公室則位於斯堪的納維亞北歐光學望遠鏡的停車場上，這個位置幾乎正好在愛麗絲和鮑勃中間，與二者分別相距約 500 米。

實驗中，愛麗絲和鮑勃所觀察的類星體分別距地球 78 億光年和 122 億光年，研究人員總共收集並分析了近一萬八千對光子的數據，結果又一次表明了量子力學是正確的。

圖丨位於加那利群島拉帕爾馬的義大利伽利略國家望遠鏡（來源：哈佛 - 史密森尼天體物理中心）

如果愛因斯坦的假象宇宙真的存在，那它可能還不在我們的搜尋範圍內

由於兩個類星體在天空中處於不同的方位，它們的過去光錐在僅重疊了約 131.5 億光年，排除了 96% 的可能「隱藏因素」影響。

Kaiser 說：「實際上，它們的過去光錐一直延伸至了宇宙誕生時的大爆炸。」

圖 | （來源：麻省理工科技評論）

但問題仍然存在，儘管實驗解決了局部性漏洞問題，並將選擇漏洞問題最小化，抽樣漏洞依然存在。

實驗需要通過空氣將光子從光源傳輸到 Alice 和 Bob，這意味著需要足夠多光子才能保證探測器的檢測率達標。Kaiser 說：「我們甚至都沒能嘗試著去填補抽樣漏洞。」

與此同時，由 Zeilinger 的前學生、中國科技大學的潘建偉所領導的中國團隊在他們的實驗中對所有三個漏洞都做採取了一些措施。

他們通過用光纖將糾纏光子從光子源傳輸給位於上海郊區的愛麗絲和鮑勃，進而最大限度地減少光子的損失，並用距地球約 11 光年的恆星所發出的光產生隨機數用以設定觀測參數，其結果也表明量子力學是正確的。

目前，兩個團隊正在考慮如何進一步控制漏洞對實驗結果的影響，例如通過用由大爆炸產生，來自宇宙微波背景輻射的光子設定觀測參數。Kaiser 說：「這是一個十分誘人但又很暗實現的設想，要知道，宇宙中沒有比背景輻射更老的光子了。」

雖然兩個團隊的實驗並不能完全肯定的說愛因斯坦的想法是錯的，但大多數物理學家都已對量子力學的可靠性形成了一種共識，並不會對實驗結果感到驚訝，可他們也並不排除愛因斯坦正確的可能性，只是如果愛因斯坦所設想的宇宙假如真的存在，它現在應該已經被排擠到了宇宙的一個小角落。

有關量子力學的疑問可能還會跟以前一樣深不可測。但對 Kaiser 來說，這正是他們值得慶祝的原因。Kaiser 說：「我覺得現在的量子理論看起來跟以前一樣好，它依然很棒。」

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