宇宙貝爾實驗，再次證明了鬼魅般的超距作用

1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森發表了一篇題為《物理實在的量子力學描述能否認為是完備的？》。在該論文中，他們設計了一個思想實驗，稱為EPR思想實驗。該實驗是描述了定域實在論和量子力學完備性之間的矛盾。

△ 1935年愛因斯坦等人發表的論文。EPR是以三位作者名字的第一個字母命名的。

定域實在論是指在某個地方發生的事件不能立即影響在其它地方的物理實在，傳遞影響的速度必須被納入考量。而EPR論文則是建立在定域實在論這個基本假設之上，因此愛因斯坦等人認為量子力學是不完備的。

在量子力學的世界中，粒子的其中一個基本性質就是它們的行為並不是預先決定的。跟這個性質相關的一個微妙效應稱為「糾纏」，它是指兩個粒子之間可以保持一種特殊的連接，如果你測量了其中一個粒子的狀態，你就立即知道另一個粒子的狀態，無論距離多遠，愛因斯坦把這種可以超光速的作用稱為「鬼魅般的超距作用」。

為了更加清楚地理解什麼是量子糾纏，我這裡舉一個簡單的例子。假設我買了一雙手套，把其中一隻寄給在北京的小明，把另外一隻寄給在廣州的小紅。由於他們都知道我愛開玩笑，當小紅打開包裹時發現了一隻左手套，她立即就知道小明會收到右手套。「成對」的手套意味著它們是一個「糾纏」系統。

△ 對於糾纏的粒子對，如果你知道其中一個粒子的狀態，就立即知道另一個粒子的狀態，即使它們分別位於宇宙的兩端。（圖片來源：Astronomy Magazine）

手套糾纏和量子糾纏之間的區別在於，手套早就已經有了註定的結果。當我在幾天前把手套郵寄出去的時候，就已經註定了結局。即使我不知道我給他們寄的手套分別是哪只，但不是這隻就是那隻，總有一隻手套在其中一個包裹里。小紅不可能打開包裹的時候發現裡面居然是一隻鞋子。但量子糾纏告訴我們，包裹里有可能是鞋子。在量子世界中，我所知道的只是我郵寄出去了一對東西。它可能是手套、鞋子或襪子，而且小明和小紅也不可能知道包裹里究竟是什麼，直到它們打開包裹。但在小明打開包裹看到左手套的那一刻，他就立即知道小紅收到的是右手套。

如果這聽起來很奇怪，不要擔心，你並不是其中一個。即使是量子物理學家也會覺得這樣的現象是非常詭異的。詭異到有些人認為肯定有什麼神秘的事情發生，告訴兩個粒子要怎麼做。我們或許不知道結果會是什麼，但是兩個粒子知道。

面對這樣的問題，物理學家分為兩個陣營。一方是站在玻爾這一邊，他們認為當你對糾纏粒子對的其中一個粒子進行測量時，它瞬間坍縮成一個狀態（比如自旋向「上」），我們就立即知道另一個粒子的狀態（自旋向「下」）。而另一方則加入愛因斯坦的陣營，認為量子力學是不完備的，測量結果肯定是受到了某種局域的「隱變數」的預先決定，只是我們沒有探測到它。換句話說，兩個粒子的自旋狀態雖然看起來是隨機的，但卻可能是在兩個粒子分離的那一刻（或之前）就決定好了。

△ 約翰·貝爾。（圖片來源：CERN）

為了檢驗究竟孰是孰非，1964年貝爾提出了著名的「貝爾不等式」。它可以用來檢驗這奇異的量子特性究竟是由局域隱變數決定的（即粒子的性質在測量之前就已經決定了），還是由非局域的量子糾纏所導致（非局域代表可以超光速傳播）。科學家通過對不同的糾纏粒子進行獨立的測量，如果在統計上，粒子對中粒子間的相關性超過了一個上限，就不能用隱變數來解釋了，也就意味著結果更符合量子力學的預測。

過去，科學家已經進行了多次貝爾實驗，都證明了量子力學的正確性，但那些實驗都包含了一些漏洞。因此物理學家的目標就是填補這些漏洞。

貝爾實驗的關鍵在於確保糾纏物體是以隨機的方式測量。這樣做事為了讓系統保持不確定，直到其中一個物體被測量。在此前的實驗中，科學家通常使用隨機數生成器來選擇實驗設置，並將生成器放置在於與粒子對相隔144公里的地方。所以，如果存在隱變數（而不是量子糾纏）同時影響兩者，就必須在生成隨機數之前就預先產生影響，也就是實驗開始的幾微秒之前。因此，如果存在隱變數，實驗就把它作用的時間限制到了實驗開始的幾微秒或更早之前。現在，我們的目標是要把隱變數作用的時間限制大大提前。

值得一提的是，從技術上講，實驗、隨機數生成器和科學家都被「糾纏」在一個單一系統，所以結果或許已經預先決定了。在實驗開始後，看起來像是隨機的選擇或許不是真正的隨機。這就是所謂的設置獨立問題。

現在，在一項最新的研究中科學家利用來自遙遠恆星的光來進行貝爾實驗。他們不再使用局域隨機數產生器，而是觀測兩顆相距甚遠的恆星發出的光。

△ 光錐圖顯示了EPR實驗的影響範圍。（圖片來源：Johannes Handsteiner, et al.）

這個實驗的隨機數生成器是基於兩顆恆星發出的光的顏色，一顆恆星距離600光年遠，另一顆恆星距離約1900光年外。他們通過觀察恆星發出的光是藍色還是紅色來決定測量糾纏光子的特性，由於光的顏色在恆星發出光的時候就已經確定了，不會再傳播中發生改變，這就意味著如果隱變數想要解釋相關性，就得在恆星發出這束光之前，也就是至少600年前就預先做好決定。實驗結果發現貝爾不等式再次被違反了，這意味著並不存在任何隱變數來影響結果。

事實上這個新的實驗並沒有完全解決獨立問題。或許實驗，科學家和在數千光年內區域的恆星都協力來確保系統擁有隱藏的信息。這在理論上是可能的，但這也必須發生在至少600年以前。所有從前的結果都只能把結果限制在實驗開始的幾微秒之前，而這個實驗把結果限制到了600年之前，相當於16個數量級的進步，這是很不可思議的！因此，我們幾乎可以非常有信心的說在這個系統中並不包含隱變數，量子理論的行為正如我們所期待的那樣。

參考來源：Cosmic Bell Test: Measurement Settings from Milky Way Stars. arxiv.org/abs/1611.06985v2