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大贝尔实验:解决量子力学难题 需你帮忙时间:2016-12-01 01:43:37   来源:果壳网   作者:

你很可能已经见过了那张著名的照片 - 有史以来平均智商最高的合影。1927 年的索尔维物理学会议的会后合影。图片来源:wikimedia.org爱因斯坦,玻尔,居里夫人,普朗克,布拉格,郎之万,波恩,德布罗意,海森堡,泡利,狄拉克,薛定谔,洛伦兹 …… 这其中任何一

你很可能已经见过了那张著名的照片 - 有史以来平均智商最高的合影。

1927 年的索尔维物理学会议的会后合影。图片来源:wikimedia.org

爱因斯坦,玻尔,居里夫人,普朗克,布拉格,郎之万,波恩,德布罗意,海森堡,泡利,狄拉克,薛定谔,洛伦兹 …… 这其中任何一个人都足以名垂青史,而 1927 年的索尔维物理学会议,因为这张会后合影也成为了天才最密集的会议之一。

但这不是一张其乐融融的照片。恰恰相反,它的背后,是整个现代物理学中最举足轻重的一场辩论的开端,令最优秀的头脑割裂成征战不休的几大阵营。因为它所触及的,是我们这个世界中物理实在的本质——而就在明天,你将能够亲自参与一场规模庞大的实验,也许你的一次点击,就能证明爱因斯坦的一项重要理论究竟是对是错,而这,可能也是你离解开量子物理谜题最近的一次!

爱因斯坦可能错了的地方

在讨论这个巨大的话题之前,让我们先想象一个平凡而熟悉的场景:你在教室里,但老师不在。

这个时候飞来飞去的纸团,八卦和尖叫笑声充斥在空气里。

" 小心!老师回来了!" 第一个注意到老师目光的人提醒了其他同学,然后你立即回到属于自己的小角落,当作什么事都没有发生过。

你能想象,当没有人在的时候,教室的桌子和椅子有可能也会这样吗?

你能想象,这些物体可能不是固定的、一成不变的,而在人们观察的时候,就会迅速恢复到正常状态?

如果你觉得这种想法只是天方夜谭,那么你并不孤单—— 1927 年的爱因斯坦,就是这么认为的。

但现在我们认为,爱因斯坦可能错了。科学家发现,一些非常小的粒子,比如原子,在观察时确实会有变化。那么有没有可能组成椅子的这些原子在发现我们到来以后也会互相提醒,然后把最好的一面呈现出来呢?

更难以回答的是:假如我们在观察的时候,原子的状态确实会变得不一样,那么有没有一种方法能让我们知道,它有没有改变呢?

1964 年,物理学家约翰 · 贝尔写下了一篇如今已经名垂青史的论文:《论爱因斯坦 - 波多尔斯基 - 罗森悖论》。从这篇论文中诞生了一个伟大的实验思路;而明天就要开展的大贝尔实验,就是它的成果之一。

来自世界各地的科学家希望通过这个实验,来测试当他们观测时到底发生了什么,到底有没有串通一气、在观测时临时改变状态。但是科学家们不能独立完成这个实验,他们需要你的帮助,需要你的输入来帮助他们的观察过程变得随机、变得不可预测。

贝尔实验的最后漏洞

量子力学认为,微观粒子在没有被观测时,甚至比没有被老师盯着的学生更加欢脱,完全没有正形,上天下地无所不在——直到对它进行观测,粒子才会突然老实下来,正襟危坐,有了确定的状态。

量子力学还认为,相互独立且都没有正形的两个粒子能够 " 纠缠 " 在一起,只要对其中一个粒子进行观测,不仅是被观测的粒子,与它纠缠的另一个粒子也会瞬间老实下来,无论它们之间相距多远。它们之间 " 通风报信 " 的速度远远超过光速——这是爱因斯坦无法接受的,他把这个现象称为 " 远距离闹鬼 "。贝尔实验要检验的,恰恰就是这种现象。

实验原理说来简单:把一对纠缠粒子分隔两地,让不同的观测者,比如 Alice 和 Bob,同时对两个粒子进行独立观测,具体观测方法则必须由随机选择而定。只有真正作出随机选择,才能打粒子一个措手不及,不让它们有提前串通的机会。对大量成对的纠缠粒子进行随机观测后,Alice 和 Bob 再来比较他们各自观测得到的数据。

Alice 和 Bob 会通过随机选择的观测方法同时对两个例子进行独立观测。图片来源:thebigbelltest.com

这个时候,就轮到 " 贝尔不等式 " 隆重登场了。别怕,我们不需要了解贝尔不等式到底是怎么回事。我们只要知道,如果 Alice 和 Bob 的结果满足这个不等式,就证明 " 远距离闹鬼 " 不存在;反之,如果违背这个不等式,则证明 " 远距离闹鬼 " 现象确实存在的。

自提出以来,这样的实验已经在世界各地进行过许多次,每次实验的结果都明确违背了 " 贝尔不等式 ",证明 " 远距离闹鬼 " 现象是存在的。

这就好比把一对双胞胎兄弟关在不同的小黑屋里,由两位审讯者在同一时间分别审问他们。兄弟俩只能用 " 是 " 或 " 否 " 来作出回答,他们各自被问到的问题则是随机选择的——有可能哥哥被问到的问题是 " 是否爬过长城 ",而同一时刻弟弟这边的问题则是 " 是否关注了果壳网 "。持续审问一段时间后,两位审讯者发现,不论问题如何五花八门杂乱无章,兄弟俩各自回答的 " 是 " 和 " 否 " 都惊人地一致。

这是不是就能证明,这对双胞胎兄弟之间存在神奇的 " 心灵感应 " 呢?可以,但前提是审问过程中不存在纰漏。如果审讯兄弟俩的问题看似随机选择,其实却有某个幕后黑手在其中精心操控,那审讯结果也就无法作数了。

贝尔实验也是如此,虽然此前的诸多实验都明确违背了不等式,但它们或多或少都存在这样或者那样的漏洞。如今,最突出的两个大漏洞在实验上都已经补上,只剩下自由选择漏洞仍待填补——也就是前面反复强调多次的 " 随机选择 "。

当 Alice 和 Bob 在选择用什么方式观测粒子时,此前的实验大都使用随机数发生器来作随机选择。然而,再复杂的随机数发生器也是机器,严格按照规则行事的机器产生出来的随机数是真正随机的吗? 会不会冥冥之中有某种我们无法察觉、粒子却能够提前串通的规律隐藏在其中呢?

你的自由意志,能帮上大忙

好在,我们人类拥有自由意志(至少我们自以为如此),不依靠机器的力量,我们的自由意志应该也有能力作出真正随机的选择。

现在,科学家们需要你,和很多像你一样的人,来帮助他们作出选择——决定他们要怎样观察这些粒子。这样才能真正给它们来个措手不及!你愿意成为全世界首个此类实验的一部分吗?通过玩游戏的方式,你可以做一名 " 贝尔实验员 ",成为科学家们的合作者。

噢,你想要知道 " 贝尔员 " 需要做些什么?

我们来试一试:随机地选取几个 0 或者 1。

在这个网页(thebigbelltest.org),你可以先试着选取三次。图片来源:thebigbelltest.org;果壳网编译重制

贝尔员提供的 0 和 1 将会被分配给全球各地的实验室。你的选择将会被传送给 Alice 和 Bob,在那儿帮助我们决定如何观察这些粒子。

Alice 和 Bob 测量的是实验室产生的一对粒子。其中一个粒子传送给 Alice,另一个传送给 Bob,然后他们同时研究这两个粒子。而你们提供的 0 和 1 将决定 Alice 如何测量粒子——告诉 Alice 观察粒子时用这两种仪器中的哪一个:

如果你选择 0,Alice 将会通过仪器 1 观察粒子,仪器 1 将给出两种可能的结果。图片来源:thebigbelltest.org;果壳网编译重制

如果你选择 1,那么 Alice 将通过仪器 2 观察粒子,仪器 2 给出另外两种可能的结果。图片来源:thebigbelltest.org;果壳网编译重制

上面我们跟踪的是 Alice 的例子,但 Bob 的粒子也会有同样的行为。最终,Alice 和 Bob 将分析他们结果中的相似性。如果结果非常相近,意味着即使被分开了,这两个粒子在面对观测的时候仍然保持一致性。而且它们肯定是始终保持一致,因为它们处在所有贝尔员不可预测的监视之下。

有了你的贡献,我们才能够通过这些分析,回答最初的问题:原子会由于我们的观测改变状态吗?它们之间能够互通消息,互相提醒我们正在观测吗?

来自你的那些 0 和 1,将可能帮助科学家回答重要的问题,甚至开创历史。图片来源:thebigbelltest.org

大贝尔实验将在 2016 年 11 月 30 日,也就是明天进行,作为预热,你可以单击下面的链接,一起随机产生 0 和 1 数列,并查看你的得分:

http://thebigbelltest.org/comic/?l=CHI

原子如何被观测所影响,这场论战已经延续了将近一个世纪;最初的论战双方早已离世多时。但他们的问题从未消散——毕竟,它事关我们如何理解最根本的物理事实,事关我们世界的本质。

而现在,它即将迎来规模最大的一场实验验证。

当然,这次全球范围的贝尔实验很可能也无法为这一问题画上决定性的句号。但无论实验结果如何,无论爱因斯坦的理论是对是错,每一个参与的人都在创造历史 - 而这,只需要你点击按键,帮科学家玩一玩这个小游戏。或许量子物理的这场世界之争,将因为你的付出而找到答案!

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