[小红猪]导向光束:特内里费岛观测站的跟踪激光

标签: 小红猪 物理 | 发表时间:2011-09-22 02:46 | 作者:turningred yu
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出处:http://songshuhui.net

 

宇宙真如量子理论所说的那般古怪吗?富于创造性的实验让我们离最终答案又近了一大步。

鲁珀特·厄辛身处加那利群岛之中的拉帕尔马岛。他站在岛内制高点,沉浸在黑暗之中。他感到害怕。“非常害怕,”他说。目之所及一片漆黑,一直延伸到15公里开外的大西洋。但最令他恐惧的倒不是黑暗。他担心的是即将到来的纯技术挑战——可能还有点儿害怕那些他试图令之安息的灵魂。

厄辛和他的同事们来自奥地利维也纳量子光学和量子信息研究院。那一夜,他们在这座岛上进行实验——发送单个光子,使之越过144公里的距离,落入特内里费岛上一座望远镜宽仅一米的口径内。即使在拉帕尔马晴朗的白天,能清楚看见特内里费岛上的泰德火山的时候,这个实验也需要不可想象的精准度,如若成功,将是了不起的成就;想将此实验移至夜晚进行,那简直是荒唐。“到了晚上,你连那座岛在哪里都不知道,”厄辛说。“你完全不知所措,根本不知道该干些什么。”

可是,在日光下进行这个实验是不可能的,因为有亿万光子在身边嗖嗖穿梭。因此,研究者们选择了一个无月的夜晚,关掉实验室的灯,悄悄来到仅有银河照亮的夜空下。

来干嘛?来尝试解决现代物理学持续时间最长的争论之一,来澄清我们对自然运行机制的基本理解中又一个模糊不清之处,来回答最根本的问题之一:量子现实真实的吗?

上世纪20年代中叶,现代物理学的两大巨头——尼尔斯·玻尔和阿尔伯特·爱因斯坦首次为这个问题相互顶牛。(参见《量子决斗者》)那时,一连串事实清楚表明,经典物理学无法解释小尺度的现象。例如光与物质如何相互作用,为何围绕原子核运行的电子不会做螺旋运动接近、并最终一头撞进原子核。

量子力学的新理论可以解释这些现象,可这种新理论就像一剂苦药,令人难以接受。经典的牛顿式宇宙如钟表一般规律,因果之间的联系直截了当,清晰而必然。但是这个宇宙已然远去,取而代之的是一个模棱两可的世界。在这里,粒子同时也是波,似乎毫无理由地互相影响,而且,只要避开观察者留心的眼睛,它们显然可以同时以多种状态存在。

对玻尔来说,要是我们转不过弯来,那是我们脑子有问题而不是量子力学有问题。我们这些习惯了经典力学的脑袋也许觉得量子力学理论难以下咽,但它是对世界运行机制完备而根本的描述。

爱因斯坦持不同观点。他认为量子力学的古怪即表明这种理论还有不足之处。他深信量子力学古怪的表面下埋藏着更深层次的现实。这种现实受尚未被发现的“隐变量”所制约。这种“隐变量”则根据与经典力学类似的规律运作。(参见《爱因斯坦的隐藏世界》)

玻尔和爱因斯坦的争论一直持续了几十年——双方都坚持己见,彬彬有礼,却没有得出最终结论。直到1964年,两位物理学家都去世之后,才出现解决问题的一线曙光。多亏欧洲核研究组织(粒子物理实验室,位于瑞士日内瓦)36岁的研究员约翰·贝尔,他发现玻尔和爱因斯坦之间近乎哲学的争论可以用数学的方式重新表述。

首先,贝尔认为粒子之间相互关联,即测量出其中一个粒子的特性就能知道另一个粒子的特性。这种关联性的存在本身并不令人惊讶:假如能量守恒定律或动量守恒定律成立,那么同一时间、同一来源射出的粒子在特性(如位置和速度)上自然应该有所关联。但是贝尔想出了一个数学表达式—— 一个不等式,来描述假如“实在性”和“定域性”二者均成立,粒子之间的相关度可能达到的最大值。实在性和定域性是两个符合我们经典力学直觉,但是似乎被量子力学破坏的条件:实在性指的是一个物体可被测量的特性永久存在,并且这些特性不会因为观察者的变化而变化;定域性则意指这些特性只会受附近物体的影响,而不会受任何远处物体的影响。

接着,物理学家们就得好好动动脑筋了。他们需要设计出一个实验来测量两个同源粒子的相互关联度究竟有多大。如果它们的相关度与贝尔不等式设定的数值有很大的差距,则实在性、定域性两者之一不成立,或者两者均不成立,量子力学的古怪性得到证实:粒子以某种神秘方式相互“纠缠”。另一方面,假如实验结果满足贝尔不等式,那就意味着某种现实的、局域的、类似经典力学的东西在起作用——比如,爱因斯坦的隐变数。

理所当然,实际操作要复杂得多。实现测试贝尔不等式的理想条件十分困难。没有任何实验得到决定性的结果。

到了70年代早期,一个名叫阿兰·阿斯裴的年轻法国学生登上了舞台。他刚刚服完强制兵役,从喀麦隆当老师回来,正四处寻找博士阶段的研究课题。一个偶然的机会,他读到了贝尔的论文,并了解到玻尔和爱因斯坦的争论始末。他被彻底迷住了。“一个实验就能测试出谁对谁错,这实在是太刺激了。”阿斯裴说。他现在是法国帕莱索光学院的成员。

阿斯裴拜访了贝尔,希望得到他的祝福。贝尔警告他,研究量子现实的根本问题被很多人视为“空想物理”,并问他是否有稳定的工作。“我有。尽管是个不起眼的职位,却是终身制的,”阿斯裴说。“他们不能解雇我。”有了这份保障,阿斯裴开始了长达七年的研究工作——他要找出究竟谁是正确的:是玻尔?还是爱因斯坦?

阿斯裴的实验大体上沿用了之前那些贝尔不等式测试实验的模式。首先激发原子得到一对偏正态相关联的光子。这两个偏振态光子被两个探测器分别测量。依照传统,监控这两个探测器的角色被称为爱丽丝和鲍勃。(参见图表)

必须测量大量的光子对才能得到有统计学意义的结果。就在阿斯裴和他的学生菲利普·格朗日及让·达利巴完成了准备工作,着手进行他们最后决定性的实验之际,激光技术的进步给他们帮了大忙。“到了1980年,我有了世界上最好的纠缠光子源,”阿斯裴说。从前得花上几小时甚至几天才能造出必需的光子数目,现在只要一分钟就够了。

就算这样,实验的过程仍然十分艰苦。终于,1982年,研究者们掌握了自量子现实争论开始最令人信服的证据。实验结果无可置疑。玻尔是对的。贝尔不等式被破坏了。(《物理评论快报》第49卷,91页)世界正如量子理论所说的那般古怪。“这真是激动人心的发现,”阿斯裴说。

爱因斯坦的隐藏世界

爱因斯坦对量子理论持怀疑态度。1935年,他和两个年轻的物理学家——鲍里斯·波多斯基和内森·罗森——联名发表了一篇论文,题为《量子力学对物理现实的描述完备吗?》(《物理评论A》,第47卷,777页)

在这篇论文中,他们提出了后来被称为EPR悖论的观点。这三位物理学家认为,一个完备的理论必须能描述物理现实中的所有要素。

例如,一个移动中的物体,如果既有位置又有动量,那么这个理论就应该同时包括这两个有具体数值的要素,或者说“变数”。

这一点在描述汽车之类的东西时很容易做到。但是一旦进入微观量子世界,就不那么简单了。根据维尔纳·海森堡在1927年提出的著名的不确定原理,一个粒子的精确位置和动量不能同时被确定,测定位置便不能测定动量,反之亦然。爱因斯坦认为,从这个原理可以推导出两个结论:一,位置和动量不会同时存在;二,量子力学在描述现实方面是不完备的。

更糟糕的是,例如一次爆炸后产生了两块弹片,这两块弹片朝相反的方向各自弹射开去,这一事件用经典力学很容易解释。根据动量守恒定律,这两块弹片的速度、方向和质量之间有简单确定的联系,而且这种联系在爆炸发生之时便已经确定。

另一方面,如果相似的情况发生在量子力学世界,问题就复杂多了。假设一个静止的粒子衰变成两个朝不同方向运动的粒子。根据对量子物理的诠释——这一诠释为尼尔斯·玻尔和其他量子理论先行者们所支持——粒子的特性在被测量之前是无法被清楚定义的。但是,如果测量其中一个粒子的位置或动量,那么,相隔遥遥空间的另一个粒子的位置和动量也会在这一刻被设定,尽管这一刻之前,它的位置和动量还都无法被定义。这种状况的变化,隔着空间,是如何从一个粒子立刻传到另一个粒子的?

"反正不是通过量子力学暗示的某种‘幽灵般的远距离动作’达成的”,爱因斯坦说。他认为一定有某种潜在的理论——一个“隐变数”——事先就把测量结果设定好了,就像那个经典力学的例子里,动量守恒定律事先就把弹片的测量结果设定好了一样。所以,他总结说,现在的量子力学一定是对现实的不完备描述。

  • 挥之不去的怀疑

就这么结束了?当然没有。本来就很少有所谓“完全决定性”的实验,加之爱因斯坦的盛名,公众对阿斯裴实验的疑虑仍然存在。怀疑者认为,也许自然欺骗了实验者,让他们误以为量子理论是正确答案。虽然实验测得的相关度超过贝尔不等式的最大值,但实验本身也存在很多漏洞。这些漏洞意味着也许量子力学以外的其他东西才是出现高相关度的真正原因。

维也纳团队的理论物理学家约翰尼斯·考夫勒说:“自然是否具有定域性、实在性,是否符合量子力学的描述,这个问题极为深奥,也极为重要。我们应该尽可能干净利落、无懈可击地完成这些实验。一切努力都是为了识破大自然对我们耍的诡计。”

阿斯裴的实验已经很好地填补了贝尔指出的定域性漏洞。贝尔指出:爱丽丝和鲍勃各自监控的探测器之间的距离必须远到两人无法以光速或亚光速交流。否则,某种隐藏现实就会对爱丽丝的探测器施加影响,比如,在她进行测量之前就告知鲍勃探测器的测量结果,甚至在她的探测器设置上做手脚,改变测量结果。“如果你允许这样的交流,那么想要在定域实在性上破坏贝尔不等式是很容易的。”

阿斯裴团队的高效纠缠光子源和先进光学仪器使他们可以令爱丽丝和鲍勃拉开6米的距离。在光子对离开光子源后,这6米的距离形成的时间差刚刚够改变探测器设置。实验者们希望这样可以挫败某种隐蔽交流渠道破坏实验的企图。(《物理评论快报》,第49卷,1804页)

这种做法很聪明,但是还不够。实验团队只有几毫微秒的时间来改变探测器的设置,这点时间不够实现探测器设置的无规律随机改变,只能通过可预测、有规律的模式进行。假如某种隐蔽渠道真的存在,那么一段时间之后,爱丽丝和鲍勃的探测器就会掌握这种改变模式的规律,从而继续误导实验。

为了把这种情况扼杀在萌芽状态,1998年,奥地利因斯布鲁克的格雷格·魏斯,安东·塞林格和同事们在他们的大学校园里把爱丽丝和鲍勃之间的距离拉长到了400米。他们用光纤将两端的探测器与居中的光子制造器相连。这样的安排给了实验者们1.3微秒的时间在光子发出后实现探测器设置的随机改变。实验者们甚至用原子钟测定,爱丽丝和鲍勃各自的测量是在相隔5毫微秒之内完成的——这么短的时间是不可能实现隐藏信息的传递的。于是,定域性漏洞被填补得更加密实。

但是这仍然不是最后的答案。定域性漏洞被填补之后,公众的注意力转向了其他漏洞。其中之一便是公平取样漏洞,或称探测漏洞。因为上述所有实验中用的光子探测器效率不高,只能取样测量所发出的光子中的一小部分。如果只有一小部分光子高度相关,破坏了贝尔不等式,而探测器取样到的正好是这一部分呢?可能性很小,但不是不可能。

2001年,大卫·瓦恩兰和他科罗拉多州波尔得市的国家标准与技术研究院团队首次填补了这一漏洞。这一次,研究者们用钹离子对代替光子对。每个钹离子都能在两种能态的量子力学叠加中存在。随着钹离子所处的能态的不同,它可以放出极多或极少的光子。通过用激光探测钹离子,测量它放出的光子数的变化,探测钹离子对状态的效率几乎可以达到100%。(《自然》,第409卷,791页)。

和之前的实验一样,这次实验测得的钹离子对状态也高度相关,这么高的相关度只能用量子力学来解释。但是这个实验本身还是存在漏洞:被测量之时,离子之间的距离只有3微米。所以,尽管探测漏洞被填补了,定域性漏洞却又出现了。

 

实在性的坍缩

即便量子力学实验的主要漏洞都得到了填补(见正文),其他的漏洞又出现了。其中之一就是剑桥大学的艾德里安·肯特提出的“坍缩定域性”漏洞。

根据众多对量子理论的诠释,一对纠缠的光子一直是处于量子叠加状态中,直到测量的这一刻方才坍缩成某个具体状态。目前为止的实验都假定坍缩是瞬间完成的。其实不是。在需要人脑确认坍缩发生的解释中,状态的坍缩所需时间长达0.1秒。

这就意味着在第二个量子状态的坍缩被人脑确认之前,第一个量子状态就可以把自己的坍缩传到遥远的地方(并告知第二个量子状态)。为了填补这个漏洞,测量者必须将坍缩这一事件记录下来,而自己则要呆在0.1光秒——约30000公里之外。(《物理评论A》,第72卷,012107页)

"这看起来遥不可及,”伊利诺伊大学香槟分校的诺贝尔获奖者安东尼·莱格特说,“但是换个角度,如果你在1985年告诉我,到了2010年人们就能在100公里外完成这种实验,我也会说你一定在开玩笑。

  • 自由选择

此外,还有一个细微的漏洞需要考虑。针对贝尔不等式的实验基本上都假定研究者们能自由选择,来决定探测器的设置。可是,他们真的有这个自由吗?要是粒子源(光子制造器)同样通过某种隐藏现实,用某种方法对爱丽丝和鲍勃探测器的设置施加了影响呢?粒子源可以利用这个“自由选择”漏洞,发射出伪装成量子力学纠缠态的光子对。

所以我们就需要文章开头加那利群岛上的实验了。这次从拉帕尔马岛发射光子到特内里费岛的实验吸收了厄辛、考夫勒、塞林格等先行者的经验和技术。他们要填补自由选择漏洞,同时也不能让定域性漏洞再次出现。纠缠光子中的一个越过大西洋,用时479微秒到达鲍勃探测器;另一个沿着光纤飞速到达6公里外的爱丽丝探测器,用时29.6微秒。一旦光子发射,随机数发生器就会触发,为爱丽丝和鲍勃进行设置。(参见图表)

为了确保爱丽丝的自由选择,她的随机数发生器被放在距离光子源1.2公里的远处,并且随机数的产生与光子的发射都被计时,以避免两者互相影响。在特内里费岛上,随机数发生器则在拉帕尔马岛光子到来之前就为鲍勃的探测器选择好了设置,以确保鲍勃的选择不受光子源的影响——假设没有超光速的影响方式存在。

实验结果如何?结果再次显著破坏了贝尔不等式。(《国家科学院学报》,第107卷,19708页)

随着这次实验的成功,三个主要漏洞——定域性漏洞,公平取样漏洞和自由选择漏洞——似乎都被填补完成。那么,爱因斯坦和玻尔的争论就这么结束了?玻尔取胜?

也许是这样。不过还是有人不安于平静,又挑出更细微的漏洞来。(参见《实在性的坍缩》吹毛求疵者们指出,到目前为止,尚未有实验能同时填补以上三个漏洞。保罗·奎艾特和诺贝尔获奖者安东尼·莱格特——两位伊利诺伊大学香槟分校的科学家正带领团队向这个目标前进。在强大的光子源、极快的随机数发生器和高效的探测器的帮助下,他们希望能成功进行一次毫无漏洞的实验。

莱格特认为不会有什么意外发生。他说:“要是填补三个漏洞的实验结果与填补两个漏洞的实验结果完全相反,这才真是大自然耍的诡计。”

更具煽动性的问题是我们是否真的可以凭自由意志填补自由选择漏洞。如果我们所处的是一个完全决定论的世界,在这里,就连量子随机数发生器的结果都是预先注定的,那又如何呢?那样的话,我们就都不过是一盘更大的棋局里的小卒子罢了。“如果宇宙是决定论的,作为实验者,你只得是无能为力了。”考夫勒说。

不过这一点并不是绝大多数物理学家考虑的首要问题,莱格特说。关键在于爱因斯坦喜欢的定域实在性隐变数理论在描述自然方面并不可行。尽管量子力学可能不是最终答案,但它确实是我们现在所能找到的对现实的最佳描述。

那么,爱因斯坦确实错了?这不是重点,塞林格说。“是的,爱因斯坦关于现实的看法是错了,”他说,“并且我巴不得能听听他对现在的情况有何评论。”但是他逼我们严格检验了量子力学的基础,塞林格继续说道,爱因斯坦的疑虑让我们进一步掌握了量子力学理论,并坚信不管怎么古怪,它对现实的认识比之前的任何理论都要深入。

现在你明白为什么他们会心甘情愿,不辞辛劳,在无月的夜晚登上拉帕尔马岛顶,于一片漆黑中寻找远处地平线上的光子目标了。如果玻尔和爱因斯坦的灵魂一直注视着这些星光下的守夜人,那么他们两人都有理由感到内心的满足:玻尔看到,研究者们又一次证明他的世界观是正确的;爱因斯坦看到,正是他促使后辈学者登上了通向顶峰的道路。

量子决斗者

阿尔伯特·爱因斯坦

1879年3月14日生于德国乌尔姆市/1955年4月18日逝于新泽西州普林斯顿市

1905年是爱因斯坦丰收的一年。这一年里,他提出了狭义相对论,质能等价方程E=mc2 ,并成为将物理现实引入量子世界的第一人。“量子”这个概念是马克斯·普朗克在1900年提出的。

爱因斯坦将受到光辐照的金属表面有电子逸出这一现象——即光电效应——归结于具有光能的离散粒子(即光子)的运动。这一发现让他获得了1921年诺贝尔物理学奖。

尼尔斯·玻尔

1885年10月7日生于丹麦哥本哈根/1962年11月18日逝于丹麦哥本哈根

1913年,波尔引入量子化原理并推断,原子中的电子只能在一系列离散的能量状态中存在,以此解释了氢原子的光谱。这一成就让他在爱因斯坦之后获得了1922年的诺贝尔物理学奖。

玻尔继而提出了“互补原理”。互补原理成为了主流量子理论的诠释——“哥本哈根诠释”的基础。互补原理指出,量子世界既有粒子的特性也有波的特性;是测量这个动作令它显示出粒子的一面或者波的一面。

 

作者阿尼尔·阿南萨斯沃米是《新科学家》杂志的顾问。

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