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神奇的物理事件:这是量子纠缠的测试

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天文在线 2021-09-19 09:01

约120亿年前,加速的光离子离开了一个名为类星体的极其明亮的天体,开始了一段通往还不存在的行星的漫长旅程。超过40亿年以后,更多的光子离开了另一颗类星体去进行类似的长途跋涉。当地球和它所在的太阳系形成,生命进化,人类开始学习物理,这些粒子继续它们的道理。最终,它们在拉帕尔马加那利群岛通过一对望远镜着陆,这对望远镜是为了测试现实的本质而设立的。

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该实验的目的是为了研究量子纠缠,一种在我们宏观经典的世界以不可能的方式去连接量子系统的现象。当两个粒子,比如一对电子纠缠在一起时,不了解任一电子就无法测量另一个。它们的性质,比如动量和位置,是不可避免的联系在一起的。

“量子纠缠意味着你不能仅用局部描述去解释你的联合量子系统。”澳大利亚国立大学的理论物理学家Michael Hall如是说道。

纠缠最早出现在一个思想实验中,这个测试不是由别人,正是阿尔伯特-爱因斯坦(Albert Einstein)本人完成的。在1935年的一篇论文中,爱因斯坦和两位同事指出如果量子力学完全解释了现实,那么对于纠缠系统的一部分测量将瞬间影响我们对未来另一部分对测量的认知,似乎传递信息的速度超过了光速,但在已知的物理学中这是不可能的。爱因斯坦把这个影响称为“幽灵般的远距离作用,”暗示某种根本性的错误存在于萌芽中的量子力学。

几十年后,量子纠缠实验被一次又一次的证实。即使物理学家们已经学会了控制和研究量子纠缠,他们仍然未找到一种机制去解释量子纠缠,或者就它对现实的本质的意义上达成共识。

加州大学圣地亚哥分校从事类星体实验也被称为“宇宙贝尔实验”的天体物理学家安德鲁·弗里德曼(Andrew Friedman),他说:“纠缠现象本身已经被验证了好几十年了。真正的挑战是,即使我们知道这是一个实验性的现实,我们没有一个令人信服的故事去表明它实际上是如何工作的。”

贝尔的假设

量子力学的世界——在最小尺度上支配宇宙行为的物理——经常被描述为极其怪异。根据它的定律,自然界的组成部分同时是波和粒子,在空间中没有确定的位置。它需要一个外部系统来观察或测量它们,以促使它们“选择”一个确定的状态。而纠缠态粒子似乎能瞬间影响彼此的“选择”,无论它们相距多远。

爱因斯坦对这些想法非常不满,他假设了经典的“隐藏变量”,超出了我们对量子力学的理解,如果我们理解了它们,就会使纠缠不那么可怕。在20世纪60年代,物理学家约翰·贝尔(John Bell)设计了一个测试模型的隐藏变量,被熟知为“贝尔不等式”。

贝尔概述了关于世界的三种假设,每一种都有相应的数学命题:现实主义,即物体无论是否被观察到,都具有它们所保持的特性;地点性,也就是说,没有什么能影响到足够远的东西,以至于它们之间的信号传播得比光还快;还有选择的自由,也就是说物理学家可以自由地进行测量,而不受隐藏变量的影响。探测纠缠是检验这些假设的关键。如果实验表明自然界遵从这些假设,那么我们就生活在一个我们可以经典地理解的世界里,而隐藏变量只是在创造量子纠缠的假象。如果实验表明世界并不遵循它们,那么量子纠缠就是真实存在的,亚原子世界真的就像它看起来那样奇怪。

弗里德曼说:“贝尔的研究表明,如果世界遵守这些假设,那么纠缠粒子测量的相关程度是有上限的。”

物理学家可以测量粒子的性质,比如它们的自旋、动量或极化。实验表明,当粒子纠缠在一起时,这些测量结果在统计上的相关性比在经典系统中预期的要高,这违反了贝尔不等式。

在一种贝尔测试中,科学家将两个纠缠光子发送到相距较远的探测器上。光子能否到达探测器取决于它们的偏振;如果它们完全对齐,它们就会通过,但否则,它们就有可能被阻塞,这取决于对齐的角度。科学家们想看看纠缠粒子是否以相同的极化结束,其频率是否比经典统计学所能解释的要高。如果是这样,至少贝尔的假设在本质上就不可能是正确的。如果世界不服从现实主义,那么粒子的性质在测量之前就不能很好地定义。如果粒子可以瞬间相互影响,那么它们就会以某种方式以比光速还快的速度相互交流,违反局部性和爱因斯坦的狭义相对论。

长期以来,科学家们一直猜测,如果世界不遵从贝尔的前两个假设——现实主义和局部性——中的一个或两个,那么先前的实验结果可以得到最好的解释。但最近的研究表明,罪魁祸首可能是他的第三个假设——选择的自由。也许科学家们关于让光子进入的角度的决定并不像他们想象的那样自由和随机。

类星体实验是检验自由选择假设的最新实验。科学家们根据从两个遥远的类星体探测到的光的波长(分别是78亿年前和122亿年前),确定了允许光子进入探测器的角度。在这一决定中,长途旅行的光子取代了物理学家或传统的随机数生成器,消除了地球对实验的影响,无论是人类还是其他方面。

在测试的最后,该团队发现纠缠光子之间的相关性远远高于贝尔定理所预测的经典世界。

也就是说,如果一些隐藏的古典变量实际上是决定实验的结果,在最极端的情况下,选择测量之前早就已经制定了人类existence-implying量子宇宙“古怪”是真正的结果,一切都是预先确定的。

霍尔说:“这对很多人来说是不满意的。“他们实际上是在说,如果它是在很久以前建立起来的,你就必须尝试用预先确定的选择来解释量子关联。”生活将失去一切意义,我们将不再做物理。”

当然,物理学在不断发展,而纠缠问题仍有许多未解之谜有待探索。除了对纠缠缺乏因果解释之外,物理学家们也不明白,测量一个纠缠系统是如何突然使它回到经典的、非纠缠状态的,或者纠缠粒子是否真的以某种方式进行了交流,这是他们继续用新实验探索的谜团。

巴西国际物理研究所博士后加布里埃拉·巴雷托·莱莫斯说:“没有任何信息可以瞬间从这里传递到那里,但对量子力学的不同解释会同意或不同意存在一些潜在的影响。”“但从相关性和统计学的角度来看,我们都同意这个定义。”

BY: Laura Dattaro

FY: Kloss

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