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这3名诺奖得主有多牛?“推翻”爱因斯坦理论,人类正在进入新时代

 hse_hzh 2022-10-05 发表于河南
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北京时间10月4日下午,2022年诺贝尔物理学奖揭晓,由法国学者阿兰·阿斯佩(Alain Aspect) 、美国学者约翰·克劳泽(John Clauser)和奥地利学者安东·泽林格(Anton Zeilinger)共同获得,以表彰他们“用纠缠光子进行实验,证伪贝尔不等式,开创量子信息科学”。
在此奖项出炉后,10月4日,潇湘晨报专访了湘潭大学物理与光电工程学院副教授彭杰。彭杰讲述了在这些艰深的学术名词背后,爱因斯坦曾反对量子纠缠理论,而青年学者用实验证实量子纠缠是真实存在的故事。
爱因斯坦称量子纠缠是“幽灵般的超距作用”
根据量子力学,两个或多个粒子能够处于纠缠态,它们存在某种关联,无论相隔多远,一个粒子的性质发生变化,另一个能瞬间“感知”到它的状态,从而发生相应的变化。人们只要测量其中一个粒子的特性,那么就可以立即确定另一个粒子的等效测量结果。
彭杰表示,自从该理论提出以来,就一直是量子力学中争论最多的元素之一。爱因斯坦就曾强烈反对该理论,称之为“幽灵般的超距作用”。
爱因斯坦做了一个非常理所当然的“定域性假设”:一个粒子的属性只局限在这个粒子上,而此处发生的事情必须经过在空间中的传播才能影响彼处发生的事情,并提出隐变量理论来替代纠缠理论。打比方说,有一副手套,一个是左手,一个是右手。人们把两个手套分别放在两个箱子里,一个箱子放在地球,一个放在月球。我打开地球这个箱子的时候,也能知道月球上那个手套是左手的还是右手的。但这是一开始就已经定好了的,而不是因为测量才导致的。
当时,这个问题也被归为哲学问题。看起来爱因斯坦的理论也更易被人们理解,但真相究竟如何呢?
一心想推翻量子力学的青年学子“推翻”了爱因斯坦
据纪录片《超乎想象的宇宙》,1967年,还在哥伦比亚大学读书的约翰·克劳泽即将获得天体物理学的博士学位,他唯一面对的阻碍,就是量子力学的成绩。在这部纪录片中,约翰·克劳泽坦言:“当我还是研究生的时候,我竭尽所能也不能理解量子力学。”
有一天,他发现了一篇发黄老旧的文献,作者是鲜为人知的爱尔兰物理学家约翰·贝尔。贝尔提出如果可以制造一个可以创造和对比纠缠粒子的机器,就可以知道究竟孰是孰非。一心想要推翻量子力学的克劳泽,于是通过实验测量出数千对的纠缠粒子,并且从不同的角度对比它们的旋转。
最终的实验结果让克劳泽崩溃,因为他证明了量子纠缠真实存在,量子可以跨越空间彼此相连。
随后,当时同样是年轻学生的法国人阿兰·阿斯佩对约翰·克劳泽的实验漏洞进行改进,做了更精准的实验,同样证明了量子纠缠理论是正确的,彻底否定了爱因斯坦的隐变量理论。
至此,科学家又开始思考:是否可以利用纠缠理论中的远距离作用来做些有用的事呢?比如隐形传态,即信息载体本身不动,利用纠缠来传递信息。
奥地利学者安东·泽林格用实验进一步证明了纠缠理论的正确性,并把纠缠理论用到了实际应用当中,实现了隐形传态。现在,具有两个以上粒子的系统(所有粒子都纠缠在一起)正在进入实际应用,比如通过数十千米光纤发送的光子之间,以及卫星和地面站的光子之间都能建立纠缠态。
2017年6月16日,量子科学实验卫星墨子号首先成功实现两个量子纠缠光子被分发到相距超过1200公里的距离后,仍可继续保持其量子纠缠的状态,并于今年实现了隐形传态。
彭杰表示,他在给学生上量子力学课时,经常给学生讲三位科学家通过实验证明量子纠缠正确的故事,并借此告诫学生:“什么事情不要想当然,要相信实验结果,因为实验是检验真理的唯一标准,不管你觉得这个东西有多么的荒谬,只要它是符合实验的,就必须去接受它。”
彭杰还表示,第一次量子革命给了我们晶体管和激光,借助操纵纠缠量子系统的现代工具,人类正在进入一个新时代。
潇湘晨报记者李楠

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