這個驗證貝爾不等式的實驗的真實性如何?是否真的意味著量子糾纏的發生是超光速的?
50年物理難題蓋棺定論 愛因斯坦錯了_cnBeta 博客文摘_cnBeta.COM
從量子力學誕生開始,爭論就沒有停止過。儘管以丹麥物理學家波爾為代表的「哥本哈根學派」認為量子力學是完備且自圓其說的,愛因斯坦等物理學家卻始終堅持量子力學不是最終理論。愛因斯坦認為,物理世界的主宰是傳統的機械決定論,而非概率。兩派長期針鋒相對,唇槍舌戰,他們爭論的焦點落在了「量子糾纏」(quantum entanglement)上,而量子糾纏直接挑戰了經典物理學的定域性描述。比如,兩個朝相反方向運動的光子,只要不受干擾,無論相距多遠都可以在瞬間傳遞信息。打個比方,即使牛郎和織女分居在銀河兩頭,彼此心映即刻完成,無需時間。
愛因斯坦難以接受這樣的結論,因為按照他提出的相對論,信號傳遞的最快速度是光速,兩個相距甚遠的物體是不可能在瞬間交換信息的。也就是說,如果銀河系有10萬光年大,那麼牛郎的呼喚需要10萬年後才能被織女知道,絕不是發生於頃刻之間事情。愛因斯坦為此還提出了著名的「隱變數理論」,將量子力學不能給出確定結果的概率問題,歸咎於人們對某種尚未發現的「隱變數」的無知。他認為,那兩個彼此背離而行的光子,一定是具有某種內在的機制,決定了它們之後的行為,只不過人們不知道罷了。也就是說,牛郎和織女在每年分手的時候都要約定好,在日後的某個時刻彼此互相思念,只是這樣的約定還沒有被王母娘娘發現而已。歐洲核子研究組織(CERN)的約翰·貝爾(John Bell)在赴美國訪問期間,發表了著名的論文,將這一看似抽象的哲學問題簡化為一個清晰的數學不等式,它被人們稱為「貝爾不等式」。貝爾不等式其實是說,如果愛因斯坦提出的隱變數存在的話,那麼在特定的實驗條件下,實驗結果(大量獨立重複實驗的統計概率)就會被限制在一個範圍之內。一旦實驗測量超出該範圍,即貝爾不等式不成立的話,那麼愛因斯坦就是錯的,隱變數理論也就不正確。由於貝爾不等式可以直接付諸實驗觀測,愛因斯坦與哥本哈根學派之間的爭論不再具有形而上的神秘色彩。取而代之的是,人們開始熱衷於貝爾不等式的實驗觀測。然而實驗測量並不簡單。在過去的50年里,人們提出了不計其數的實驗方案,但每一個方案都有漏洞。所以,儘管許多實驗得到了違反貝爾不等式的結果,但由於漏洞的存在也無法在邏輯上直接證明貝爾不等式不成立。令人振奮的是,最近由荷蘭代爾夫特科技大學的Ronald Hanson領導的科研團隊,終於實現了沒有漏洞的實驗觀測,50年來第一次無懈可擊地直接證明了貝爾不等式不成立。
這個實驗確實證明了量子糾纏的效應是非局域性的,瞬時的,也就是說測量量子糾纏對中的一個態,另一個態會瞬間坍縮。早期驗證貝爾定理的實驗無法排除掉量子糾纏效應是按光速傳播的可能,科學家稱之為局域性漏洞。為了排除局域性漏洞,科學家這樣設計他們的實驗(見下圖)。圖中藍色斜向的箭頭代表光錐,狹義相對論告訴我們在事件A的光錐外的事件B不受事件A的影響。觀察上圖可以發現Alice的測量過程(從開始測量到得到測量結果)處在Bob選擇測量基這個事件的光錐外,同時Bob的測量過程也在Alice選擇測量基這個事件的光錐外,說明Alice的測量過程與Bob的測量過程相互間並沒有因果關係,不可能在測量的過程中,有隱變數的信息在Alice和Bob間傳遞。這就消除了局域性的漏洞,證明了量子糾纏的非局域性。其實代爾夫特理工大學的實驗並不是第一個消除局域性漏洞的實驗,之前就有實驗消除了局域性漏洞。但是代爾夫特理工大學實驗的重要性在於他們同時消除了在實驗驗證貝爾定理時的另一個重要漏洞:測量漏洞。測量漏洞說的是在之前的實驗中,對糾纏粒子對進行測量的時候,並不是每次都能成功探測到粒子,成功探測到粒子的概率可能很低。這就產生了一種可能:貝爾定理並不一定都是正確的,而只是對於能夠成功探測到的糾纏粒子對才能成立。為了消除探測漏洞,代爾夫特理工大學的科學家利用了新的實驗技術把成功探測到糾纏粒子對的概率提高到了接近1。這樣他們就同時消除了非局域漏洞和探測漏洞,成功驗證了貝爾定理。
貝爾定理不成立,證明定域隱變數理論不存在,但是量子力學本來就是非定域的。比如你一測量,波函數就從疊加態瞬間變到某一本徵態了,哪怕這個波函數彌散在整個空間,也會突然縮成一點。非定域性,這在量子力學看是最自然不過的理解。
非定域性並不是超光速,而是超空間。你想想蟲洞就明白了。
所以並沒有超光速。任何波動在通常空間中傳播都不會超過光速。
兩個粒子對只是靠某種另外的維度連在一起了。像小叮噹的任意門。
沒有超光速!再強調一遍!
也不能用這個關聯粒子對傳遞信息。因為,兩個關聯粒子對,是處於疊加態的。
你沒測試之前,你不知道它是紅還是白。 所以你沒法告訴另一邊的人,紅表示1白表示0,還是紅表示0白表示1。愛因斯坦對人類有很多重要貢獻,相對論是其中最耀眼的一個。目前(就我所知)沒有直接挑戰相對論而成功的理論,至少量子力學不是,兩者研究的規律尺度不一樣。
貝爾不等式的破壞是為了說明量子力學相對於「定域實在論」是正確的。但兩者的區分都是在相對論時空觀的基礎上。量子糾纏態測量不能傳遞信息!我們會看到「Spooky action」,一般認為是存在整體量子態,因而可以在遙遠的地方發生測量結果的關聯。有時間再補充…貝爾不等式究竟是在闡述什麼問題? - 夏靈素的回答 - 知乎
可以先看我這個回答補充一下關於貝爾不等式的背景以上面回答中的貝爾不等式變種之一CHSH不等式為例。
如果局域實在論成立,那麼對於任意系統,都應該滿足S≤2,。然而根據量子力學,這個範圍被擴大了,對於任意系統,其實是滿足S≤2sqrt(2)。特別當A和B共享的是一對糾纏粒子的時候,S=2sqrt(2)。所以只要有一個體系,可以得到S>2,那就說明量子力學贏了啊。一般要違背貝爾不等式的實驗,就是讓A和B去共享一對糾纏粒子。簡單介紹下具體步驟:1)A和B共享糾纏一對粒子,2)A 和B處的隨機數發生器產生隨機數以確定測量基矢3)用該測量基矢對兩個粒子進行測量,得到單次事件的結果x和y 4)將1,2,3重複多次,四種基矢選擇下的x*y的均值,算出S上面的回答也說了,雖然有很多實驗破壞了不等式,但是都有漏洞。主要的三個漏洞就是:隨機數漏洞,局域漏洞,測量漏洞。 之前也有實驗分別關閉過局域漏洞和測量漏洞。而荷蘭代爾夫特理工大學的這個實驗組首次同時關閉了局域漏洞和測量漏洞。
要想關閉局域漏洞,就得保證在B(A)處的測量結束前,A(B)處的基矢選擇無法傳到B(A)處。
假設隨機數產生需要耗費時間t1,測量需要耗費時間t2,那麼A和B之間的距離D要滿足D>(t1+t2)*C,C是光速
看代爾夫特理工大學的這個實驗
A和B空間直線距離為1280米,意味著光速傳輸時間為4.27微秒。而基矢選擇時間為480納秒,測量時間為3.7微秒,加起來小於4.27微秒。所以可以保證保證在B(A)處的測量結束前,A(B)處的基矢選擇無法傳到B(A),從而關閉了局域漏洞。之前的回答里說了,系統的總效率受很多因素影響,比方說光傳輸損耗,探測效率。而當系統總效率小於一定值的時候,就不能排除隱變數操控的可能。所以就要儘可能提高探測器效率,減少光傳輸損耗。 代爾夫特這個實驗的讀出效率大於95%,相當的高。但是光的波長是~637nm,在光纖中的損耗達到了8dB/km。 也就是說在光纖中走個0.5km,光子數就只剩下一半都沒有了。 那這個實驗中怎麼解決這個問題的呢?
他們採用了有Bell提出的event-ready scheme。一般的貝爾實驗,C處產生糾纏粒子,然後分發給A和B,只要糾纏產生並分發了,就算有效的事件了。而如果糾纏粒子在分發過程中損耗掉,就會降低系統的效率。 但是這個實驗中的糾纏對是通過entanglement swapping產生的。 A和B分別產生一對糾纏粒子(電子-光子 糾纏),然後將其中的光子發送給C。C處對兩個光子進行貝爾態測量,從而將A處和B處的電子自旋糾纏起來。 只有當C處完成了一次成功的貝爾態測量,A和B之間才產生了糾纏對,算一個有效事件,所以就沒有傳輸損耗的問題了。講個故事:三國時代,曹操和司馬懿分兩路進攻蜀國,劉備和諸葛亮帶軍應戰。諸葛亮防禦北路,先碰見了敵軍,發現敵軍主帥是曹操,於是瞬間就知道了劉備的對手是司馬懿,不必跑過去看。但是他能讓劉備知道這件事嗎?不能,因為他們沒有手機。
違背bell不等式是疊加態形式所決定的必然結果,從中可以得到的堅實有效的結論只有所測量的態不是直積態而已(當然我們這裡有個wlog的大前提就是bipartite, pure state)
無論塌縮也好,瞬時反應也好,這其實都只是基於疊加態這麼一種數學形式而做出的物理圖像的猜測,而顯而易見的是這種猜測因為其直觀上違背狹義相對論,可取性其實並不高,至於如何構建新的物理圖像,這是目前很多人都在做的事情。
題主如果有興趣且有條件可以搜索「經典糾纏」相關文獻看看,其他答主有興趣也可以看看~
寫得太學術了,不好意思,見諒~ 做完實驗回頭再來擴充解釋~不僅是超光速的,而且還是無限大的速度。但是,這個超光速和沒有超光速並沒有本質的區別,你無法利用這個超光速干任何超光速的事情,不是技術上不允許,是理論上不允許。所以,按照量子理論的貓既是死的又是活的這種說法,你也可以說,他既超光速了,又沒有超光速,兩種說法都是對的。
這並不能用來傳遞信息。
前面有人拿三國的例子解釋得很好 三國迷嘗試改寫一下:
夏侯惇和于禁被曹操派去抵擋馬超和關羽的兩路進攻
他們事先不知道會遇到哪一個 但是他們知道 馬超的騎兵很厲害 而關羽曾經水淹七軍
所以他們商量好:遇到的是馬超就要多帶些鐵蒺藜和鹿角 如果遇到了關羽就多準備泥土麻袋
然後他們出發了 夏侯惇到達陽平關 發現對面陣中升起的大旗 「驃騎將軍馬」
他立刻意識到:于禁在襄陽的對手是關羽 但是他已經來不及通知于禁多準備些泥土麻袋了
做愛是很像摔跤的,是很容易被看錯的,有的人就看錯了相對論和量子力學的關係。
沒有觀察就沒有科學。科學是從迷信中來的。迷信和科學的區別就是,迷信是不觀察的,科學是靠觀察的。開始正是由於有人不相信迷信的說法,因此而想要親眼看一看,從此就有了這麼一個叫做科學的學問了。愛因斯坦分別是這兩個理論的奠基人。而且給他的諾貝爾獎是獎給他在量子力學上的貢獻的,而不是在相對論上的。但愛因斯坦之所以總是要和量子力學過不去,是因為後來人們把他在相對論上的貢獻抬得很高,似乎他的價值就只有相對論了。而量子力學後來的發展似乎要撞到相對論了。儘管沒有撞到,但愛因斯坦還是攻擊了量子力學。2個處於糾纏態的量子,對其中一個做貝爾測量,知道這個量子的狀態的同時也知道了另一個的狀態,並且糾纏態同時被破壞。另外貝爾測量的結果是隨機的,所以並沒有什麼可以用來通信的信息以超光速傳播了
雖然很困惑 但我認為既然量子力學是以觀察者效應出發的 那麼得到這個結果不意外
廣義相對論也是觀察者效應,利用的等效原理都是觀察者所感覺的
物理實驗必須有觀察者,所以觀察者效應永遠存在而且必須被考慮進物理理論,才能得到觀察者的結果,即實驗結果
我猜想如果能把觀察者效應整合進量子引力,就能解決大一統問題推薦閱讀:
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