號召眾人參與的The big bell test背後原理是什麼？

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最近湧現出一些依靠普通大眾參與的物理實驗，比如ScienceAtHome製作的一些遊戲，以及即將開始的The BIG Bell Test，這些背後的原理是什麼呢？為什麼需要「人」的參與呢？

首先我們回顧一下貝爾定理的由來。

貝爾定理說的是：

量子力學不能由一套定域隱變數理論描述

所謂定域，是由相對論框架的假設來的，即是，信息的傳播速度是有限的。這意味著兩個物體如果有空間距離，那麼兩者之間的信息交換不能是瞬時發生的（不過量子糾纏的性質保證了粒子之間的信息不能被提取出來，那麼我們並不能通過這種方法實現超光速的信息傳輸）。

所謂隱變數，說的是在我們觀察到的現象之下還有一套更深層的理論描述。如果一個現象有隱變數，那麼我們應該可以用這套隱變數來描述與預測這一套現象。我們也稱其為實在論。即事物的發展是可預測的，至少是理論上可預測的。

這兩個觀點在人們觀測到量子現象之前都是不可動搖的。隱變數理論來自牛頓以來大家對物理的信心，大家在經歷了幾百年的發展後，都相信世界是可描述的。定域理論的來源是相對論的基本假設，而相對論本身經歷了足夠好的檢驗。

然而量子力學提出後，大家突然發現，定域和隱變數不能同時滿足。

這一切是堅定的扛著實在論的大旗的愛因斯坦發現的。

在科普層次，量子力學最廣為人知的一點是，某些物理量不能被同時地測量。舉個例子的話，最簡單的一組便是動量和位置，我們不能同時準確地測量兩個量。

靠著思想實驗出道的愛因斯坦又開動他的腦袋做了一個實驗，說：「你這不可能啊，假設我們有一個靜止的粒子，衰變後變成了兩個粒子，由於對稱性（這個其實也是一個假設，不過目前還沒有人想要去懷疑它），兩個粒子必定向著相反的方向對稱地運動。那麼等到兩個粒子相距足夠遠後，我們去測量一個粒子的位置，由定域原理，另外一個粒子不會受到這個粒子的影響，而由對稱性，兩個粒子必定是一樣的，那麼我們現在就知道了兩個粒子的位置。這個時候，我測量另外一個粒子的動量。哈，這下兩個粒子的動量和位置我都知道了，你的量子力學錯了吧。」

波爾：」等等，為什麼這兩個粒子的位置和動量是一樣的，你確定只要對稱性嗎？」

愛因斯坦：「哦對，還有一些更加不證自明的假設，無論我測不測量這個粒子，這個粒子的性質都是確定的，因此，如果我測了粒子A，我們自然不用測就可以知道粒子B的對應的性質。這一切都是實在的。而你量子力學所描述的現象和這兩點是矛盾的，那麼你量子力學自然是不完備的，因此量子力學之下一定會有一套更深層的隱藏著的理論來描述這一切。」

上述辯駁，便是了著名的EPR佯謬。總結一下愛因斯坦的觀念：

量子力學的測不準原理（算符的不對易）與實在論以及定域原理相矛盾。那麼，我們便需要一套定域的隱變數理論來描述好這一切。

然而物理終究是一門實驗的學科（這沒什麼好爭議的，這裡我們把物理定義為一門實驗學科），思想實驗做的再漂亮聽起來在由道理，我們還是要在實驗上看一看世界到底是怎麼樣。於是在大家思辨了幾十年後，貝爾提出了貝爾不等式並設計了一個實驗來終止這場爭論。

…………………………暫停一下下次再更貝爾的具體設計

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有了貝爾實驗，我們便可以驗證到底是經典是正確的還是量子是正確的。

回頭說說實驗。貝爾不等式誕生後大家都想用實驗驗證，但是都因為各種漏洞而沒有被完全驗證，在去年有實驗解決了幾乎所有的漏洞，但是還差一個沒有填上，那便是」自由意志漏洞」。貝爾實驗需要一個不被實驗系統影響的對象產生隨機數，目前產生隨機數的方法都是物理的方法，有人就爭辯：「為什麼你認為你的隨機數沒有被隱變數所影響？」，這倒真不能直接回答說沒有。然後有人就提出，我們人是有自由意志的，人是不會由隱變數所影響的，因此，使用自由意志作為隨機數生成便可以了。而因為人類的有反應時間，我們需要用大樣本才能使實驗變得可以操作。

所以有趣的是，我們需要承認」自由意志「才能真正實現檢測。不過對於我來說，自由意志並不是一個定義明確的問題，當然每個人會有不同的信念了。

回顧整個發展過程，有這麼一些假設：

定域理論
隱變數理論
自由意志

如果貝爾不等式被實驗驗證，三者必定有一個要被排除掉。

定域理論由於一直以來在物理領域的成功應用，很多人捨不得丟掉。

隱變數理論由於我們相信理論的完備性所以不能被丟掉。

自由意志，我不知道如何說好這個定義，但是很多人不想丟掉。

丟掉每一個都是艱難的選擇呢。不過對於我來說，我相信的只有物理的有效和簡潔，那麼，我只需要一把奧卡姆的剃刀。

個人認為科普和公關的意義大於實際需求。

官方的說法是因為物理方法產生的隨機數可能不隨機（受到不為我們所知的物理因素影響），所以需要擁有「自由意志」的人來產生隨機數。但是實際上人類的隨機性是很差的（不信你可以去玩玩big bell的beta test），更別提自由意志這種東西在科學上尚無定論。官方自己也說是「選擇相信」自由意志，都「選擇相信」了…

不過另一方面來說，即便是科普和公關其本身也是很有意義的。由於量子物理理論本身艱難晦澀，對大多數公眾而言他們根本不知道科學家在做什麼，更遑論理解量子物理研究的重要性了。像Big Bell這種實驗能夠拉近科研和公眾的距離，促進公眾對量子物理的了解，對於學科本身的發展顯然是有利的。…當然，對於經費也是，咳咳…